Свет и цвет

Иллюстрированное учебное пособие по введению в колористику содержит сведения о физической природе света и цвета, особенностях зрительного восприятия информации, проблемах цветового моделирования, а так же исторический обзор эволюции цветовых моделей. В работе описана предложенная автором оригинальная концепция обобщенной цветовой модели и основанная на ней методика сравнения параметров цветовых тел.

Пособие предназначено для студентов художественных специальностей, но может быть полезным и для специалистов соответствующих профилей, интересующихся теоретическими аспектами науки о цвете.

СОДЕРЖАНИЕ

 

Восприятие и отображение


Зрение является самым информативным из чувств человека. С его помощью нам удается различать тончайшие нюансы форм, размеров и цветов освещенных предметов. Взглядом мы можем определить свое местоположение, уловить неожиданно возникшую опасность и оценить достоинства и недостатки окружающих предметов. По мельчайшим признакам мы способны  различить близнецов или узнать старика на его детской фотографии.
Древнеегипетский офис (реконструкция))Более того, мы можем не только констатировать, но и документировать увиденное – мы способны изображать свой мир, преобразуя привычное трехмерное пространство в его двумерный образ. С ранних лет живя в постоянном окружении плоскостных изображений, мы перестаем замечать, насколько они отличны от своих оригиналов, обращая внимание только на их узнаваемость. Однако на неподготовленного зрителя изображение производит неизгладимое впечатление. Оно воспринимается как окно в заколдованный, замерший мир, который можно видеть, но в который нельзя войти. Этот мир узнаваем, но неосязаем; он знаком, но необычен и поэтому таинственен. Видимо поэтому на заре человечества искусство и магия воспринимались как единое целое.
Тем не менее, наши чудесные способности являются всего лишь результатом прозаического процесса приема и обработки информации в видимом участке оптического диапазона электромагнитных волн. Поэтому, для осознанного понимания законов восприятия и отображения действительности, есть смысл слегка коснуться как основ физической теории света, так и начал теории информации. Кроме этого, будут рассмотрены принципы цветового моделирования, история развития и совершенствования цветовых моделей, а так же предлагаемая автором концепция обобщенной цветовой модели.  

 

Свет и информация


Любой организм вынужден ориентироваться в окружающей среде, так как для выживания ему нужна оперативная и подробная информация обо всем, что его окружает. Приспосабливаясь к внешним условиям, организм приоритетно развивает органы чувств, наиболее соответствующие этому требованию.
Лучший приемник оптической информацииДля большинства обитателей земли самым ценным приобретением оказалось зрение, позволяющее оценивать обстановку с безопасного расстояния. Как выяснилось, зрение оказалось самым информативным из всех чувств, позволяющим “в мгновенье ока” представить целостную картину окружающего мира, а не только отдельных его составляющих. Самое поверхностное сравнение возможностей зрения с возможностями осязания, обоняния или слуха показывает его несомненные преимущества.
Свет – носитель зрительной информации, является единственным видом электромагнитных излучений, доступных непосредственному восприятию человека. Почему именно он? Ведь несмотря на громадную широту спектра природных электромагнитных волн, все его диапазоны подчиняются общим законам и на первый взгляд равноценны. Однако мы не обладаем ни рентгеновским, ни инфракрасным зрением, ни радиолокацией. Наш организм как будто вполне устраивает возможность видеть только освещенные или светящиеся предметы и практически не беспокоит отсутствие реакции на волновые излучения других частот. Почему в роли наиболее подходящего носителя зрительной информации оказался именно свет, а не какой-либо другой вид электромагнитных колебаний, излучаемых нашим светилом? Не углубляясь в исследования всех возможных причин и вероятных вариантов выбора, попробуем объяснить его простой житейской целесообразностью. Можно предположить, что зарождающаяся жизнь не обнаружила на самой Земле существенно важных или фатально опасных для нее источников природных излучений, на которые следовало бы оперативно реагировать. Поэтому она полностью сориентировалась на излучения ближайшего к Земле светила, спектр которых в решающей степени обеспечивает приемлемые для жизни условия. Свет оказался основой фотосинтеза  – основного способа существования растений. Поэтому и появившийся в последствии животный мир не имел достаточных оснований для отказа от доставшегося ему наследства. Кроме того, выяснилось, что длины световых волн в достаточной мере подходят для их использования в  эффективной схеме приемника оптической информации – глаза, прибора надежного, компактного и экономичного. Понять причины, позволившие глазу приобрести полный набор столь лестных характеристик, поможет небольшой экскурс в область теоретической радиотехники.
Шкала электромагнитных волн Известно, что габариты приемно-передающих устройств волнового типа пропорциональны длине волны, а их разрешающая способность – наоборот, обратно пропорциональна. То есть, чем больше рабочая длина волны, тем больше антенна и меньше разрешение. Следовательно, для того, чтобы отчетливо видеть соизмеримые с собой объекты, организму “удобнее” ориентироваться на относительно коротковолновую часть спектра излучения. Это позволяет добиться оптимального соотношения габаритов приемника и качества его работы, что немаловажно для важнейшей системы жизнеобеспечения.
Именно свет – небольшой участок электромагнитного диапазона с длинами волн от 400 до 750 нм, оказался обладателем всех перечисленных качеств. Наша атмосфера прозрачна для световых волн и вполне пригодна для роли канала связи, прекрасно работающего буквально “в пределах прямой видимости”. Скорее всего, исходя именно из этих соображений, природа и наделила нас экономичными, удобными и, к тому же, довольно выразительными приемниками света.
Возможности зрения оказались настолько обширными, что позволили ему выйти далеко за рамки тривиальной системы “охранной сигнализации” и стать основной информационной системой человека.


 

Физика света


Для лучшего понимания художественной теории света полезно освежить в памяти основы его физической теории. Это поможет провести параллели между физическими и художественными терминами, лучше понять их смысл и установить четкую взаимосвязь между ними.
Еще из школьного курса физики мы знаем о том, что свет является одной из разновидностей электромагнитных колебаний и его волновые свойства легко поддаются описанию традиционными физическими методами. Как и любое другое электромагнитное излучение, свет представляет собой энергетический поток, распространяющийся от породившего его источника в окружающее пространство. Как правило, источниками света являются раскаленные до высоких температур тела, тепловые колебания атомов которых и вызывают излучение. Различие резонансных частот атомов химических элементов, составляющих эти тела, порождает сложный поток излучений, состоящий из множества элементарных составляющих.
Параметры синусоидыСхема полихромного излучения Каждое элементарное волновое колебание представляет собой синусоиду, т. е. гармоническое колебание, основными характеристиками которой являются частота и амплитуда. Амплитуда характеризует размах колебания, частота – периодичность изменения амплитуды. Сама же синусоида является образом  равномерного и непрерывного во времени колебательного процесса. Расстояние между соседними гребнями или впадинами синусоиды равно длине волны колебания и является величиной, обратной ее частоте. В приложении к свету, элементарное колебание может быть представлено синусоидой, длина волны которой ассоциируется с ее цветом, а амплитуда – с яркостью. Такой свет, несущий излучение только одной определенной частоты, называется монохромным, т. е. одноцветным. Следует отметить, что достаточно заметные источники монохромных излучений практически не встречаются в земной природе. Даже кажущиеся очень красными закаты и рассветы излучают лишь незначительно измененный солнечный спектр со слегка ослабленной сине-фиолетовой частью.
Схема солнечного спектра Смесь элементарных колебаний называется полихромным светом и представляет собой спектр монохромных излучений, а ее цвет определяется суммой цветов всех составляющих. Если представить себе, что все синусоиды монохромных излучений выстроены на плоскости “по частотному ранжиру”, то взгляд на эту плоскость “с торца” (со стороны частотной оси), поможет понять суть традиционного изображения спектра в научной литературе. С этой точки зрения видны только амплитуды отдельных составляющих и их расположение вдоль оси частот. Обыкновенный солнечный свет, кажущийся белым, является характерным примером полихромного и содержит весь спектр видимых излучений.
Первым на спектральный состав света обратил внимание Исаак Ньютон, проанализировав факт появления за освещенной солнцем стеклянной призмой яркого радужного блика. Ученый выяснил, что радужная полоска образовалась благодаря разным величинам отклонения лучей различных цветов, т.е. лучей с различными длинами волн. Анализируя результаты эксперимента, Ньютон пришел к выводу, что белый свет является суммой всех цветов радуги. Более того, он выяснил, что цвет не является независимым свойством предмета, неизменно присущим ему, подобно форме и размерам, как считалось раньше. Цвет – это лишь характеристика параметров отражения световых лучей поверхностью предмета при определенном освещении. Те, кому приходилось печатать фотографии, могли заметить, что при красном свете розовый пакет из-под фотобумаги выглядит белым, а зеленая ванночка – черной. Тот же радужный блик от призмы, прекрасно видимый на белом листе бумаги, на темной поверхности практически исчезает.
Опыт Ньютона Открытие взаимосвязи между цветом и светом не только позволило подвести научную базу под зарождающуюся теорию изобразительного искусства, но и создало предпосылки для последующего появления полиграфии, кино и телевидения. Так, способность белой поверхности отражать весь видимый спектр, явилась предпосылкой к созданию кинематографического экрана. Освещенный сквозь цветную кинопленку экран дает вполне реалистичное изображение, созданное без  наложения на него физических красочных пигментов. Свечение всего трех цветов люминофора создает иллюзию многоцветного изображение на мониторах телевизора и компьютера. А полиграфический способ смешения четырех красок позволяет факсимильно воспроизводить и тиражировать любые изображения в форме, визуально не отличающейся от традиционных техник изобразительного искусства.


 

Теоретическая модель цвета


 Попытка определения Ньютоном точного количества цветов солнечного спектра.не увенчалась особым успехом. Они так плавно и незаметно переходили из одного в другой, что определить их границы и дать им названия можно было лишь весьма условно. Как и подобает настоящему ученому, Ньютон попытался систематизировать полученные результаты, проведя параллель между цветом и музыкой. По аналогии с семью основными нотами, он счел целесообразным использовать и семь основных цветов, используя их общепринятые названия. Несколько позже, при разработке модели цветового круга, Ньютон решил добавить в промежуток между красным и фиолетовым цветами отсутствующий в радуге переходный цвет, естественным образом замыкающий непрерывную последовательность. Но, несмотря на все последующие уточнения, простенькая гамма “Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан” все-таки осталась в нашей памяти.
Вопрос – сколько же всего цветов существует в природе – оказался не таким уж простым. Если рассматривать его с физико-математических позиций, то можно считать, что их количество бесконечно. Теоретически, любой диапазон может быть поделен на любое число сколь угодно малых частей. И, соответственно, цвет каждой из них будет хоть чуточку, но отличаться от соседней. В компьютерной графике, например, "полноцветной" считается палитра, содержащая более 16 млн. цветов. Использование такого количества градаций цвета удобно для машинного анализа цветов. но мало приемлемо для их искусственного синтеза. В традиционной живописи издавна используется относительно скромное количество природных и синтезированных красителей, поэтому даже самые взыскательные художники научились обходиться несколькими десятками цветов.
Смешивание красокОсознанно или интуитивно, живописцы с давних пор успешно решали этот вопрос, используя упрощенное цветовое моделирование. Смешивая краски на палитре, они и до сих пор создают из  ограниченного количества пигментов бесконечное разнообразие цветовых сочетаний. Этот творческий процесс трудно поддается описанию и еще труднее – воспроизведению. Если порой и сам творец впоследствии не может восстановить состав им же созданного цвета, то скольких трудов требуют попытки воссоздания секретов красок старых мастеров!
Для уменьшения субъективности этого метода было предпринято множество попыток создания объективной цветовой модели – наглядного и относительно простого средства для описания цвета. Со временем большинство исследователей сошлось на том, что сложность идеальной модели существенно ограничивает возможности ее применения. Поэтому в практике закрепилось несколько более простых моделей, позволяющих достаточно точно, хотя и с определенной долей условности, интерпретировать большинство наиболее важных в той или иной области применения свойств цвета.


 

Эволюция цветовых моделей


Прикладное цветовое моделирование, сводившееся к синтезу новых цветов методом смешивания имеющихся пигментов, возникло практически одновременно с появлением живописи. Значительно позже начались и опыты по анализу красок, то есть, выявлению чистых, изначальных цветов, не являющихся смесями, и определению их минимального количества.
Цветовая полосаЦветовой круг и его модель Исходной цветовой моделью может считаться цветовая полоса, представляющая собой упрощенное изображение спектра семью локальными спектральными цветами. Живописцы размещали чистые краски вдоль края палитры в порядке следования цветов солнечного спектра, а в промежутках создавали красочные смеси. Округлая форма палитры подсказала идею усовершенствования этой модели: расположение красок по кругу (цветовой круг Ньютона).
Можно предположить, что во времена зарождения живописи все цвета считались равноправными, то есть независимыми друг от друга чистыми тонами. Однако опыт показал, что одни из спектральных цветов могут быть получены смешиванием красочных пигментов, а другие – нет. Это обстоятельство позволило разделить цвета на элементарные и производные. Эмпирическим путем удалось определить, что чистых цветов, которые не удается получить смешиванием других пигментов, всего три. Первоначально к ним были отнесены красный, желтый и синий,  Этот не совсем правильный вывод был сделан из-за того, что на практике достаточно долго исследовались не цвета как таковые, а только известные красители. Со временем выяснилось, что природа, как и большинство настоящих художников, избегает прямого использования чистых цветов, предпочитая их смеси. Не все из “назначенных” чистыми цветов оказались таковыми в действительности, потому что некоторых  пигментов просто не существовало в природе. Тем не менее, количество “избранных” оказалось достаточным, а их выбор – относительно удачным для воспроизведения значительной части спектра. Поэтому эти цвета все-таки получили название “первичных”. “Вторичными” были названы цвета, полученные попарным смешиванием первичных. Ими стали оранжевый, зеленый и фиолетовый. По первым буквам названий первичных цветов, эта модель получила условное название “модель КЖС”. 
Смесь дополнительных цветов Несмотря на кажущуюся стройность, модель КЖС стала серьезным камнем преткновения для ее пользователей. Ее практическое использование давало неплохие результаты, но попытки их логического осмысления заводили в тупик. Вопреки ожиданиям, художественные краски отказывались подчиняться открытому Ньютоном закону смешения цветных лучей. Вместо ожидаемого белого цвета, смесь пигментов дает нечто противоположное: практически черный, вернее, грязно-черный цвет. Это несоответствие, серьезно озадачившее исследователей, было принято как необъяснимый феномен и на некоторое время оставлено в покое. Для его осмысления требовались знания об истинной природе цвета, а их пока недоставало. Тем не менее, исследования продолжались, и законы смешения пигментов изучались эмпирическим путем. Поэтому, пусть и без теоретического обоснования, но на основе экспериментальных данных, было решено считать смесь красок всех цветов черным цветом, а их полное отсутствие на холсте – белым. Ведь еще первобытные художники неокрашенную поверхность любого цвета подсознательно считали чистой, то есть, условно белой. Впоследствии это понятие, дополненное представлением о возрастании насыщенности цветов в направлении от заднего к переднему планам, оказалось исключительно важным для создания современных цветовых моделей.
Цветовой треугольник КЖСВыделение трех основных цветов и их смесей показало, что количество цветов, достаточное для реалистичной передачи большей части спектра, может быть сокращено до шести. В этом случае на цветовом круге первичные цвета строго чередуются со вторичными, образуя два наложенных друг на друга треугольника. При этом выявилась и еще одна закономерность: диаметрально противоположные пары первичных и вторичных цветов оказались максимально контрастными по тону. Обнаружилась и способность смеси двух парных цветов давать практически такую же насыщенность смесевого "черного" цвета, которая достижима при смешивании всех трех основных цветов. Способность парных цветов дополнять друг друга до черного закрепилась в названиях “основные” и “дополнительные” цвета.
Окончательным вариантом этой модели стал треугольник, на вершинах которого расположены первичные цвета, а на биссектрисах – вторичные. Дополнительным считается цвет, расположенный напротив любого, принятого за основной.
Треугольная модель стала вершиной цветового моделирования, использовавшей максимум возможностей двумерного представления цвета.
Цветовая модель HSBМежду тем, далеко не весь набор характеристик цвета, необходимых для исчерпывающего описания его свойств смог уложиться на плоскости. Плоская модель, прекрасно описывающая смешение цветов между собой, показала свою уязвимость в вопросах их утемнения и высветления, то есть смешивания спектральных цветов с черным и белым. Вспомнив о том, что белый цвет чистого холста находится "внизу", а суммарный черный цвет смеси – "вверху", исследователи решили ввести в модель третью координату – высоту. Выход в третье