Физика цвета
Всю жизнь мы окружены невероятным буйством цветов. В отличие от большинства млекопитающих, люди воспринимают мир в виде красочных картин. Мы сталкиваемся с цветом каждый день, он приобрел для нас большое значение и играет важную роль в повседневных делах. Но что такое цвет? Как он образуется и почему мы видим его? На эти и другие вопросы я постараюсь ответить в своей статье.
Что такое свет и цвет
Поскольку цвет — это способность объектов отражать или излучать световые волны отдельной части спектра, начнем с определения того, что же такое свет.
С древних времен люди пытались понять природу света. Так, например, древнегреческий философ Пифагор сформулировал теорию света, в которой утверждал, что непосредственно из глаз испускаются прямолинейные лучи видимого света, которые, попадая на объект и ощупывая его, дают людям возможность видеть. Согласно Эмпедоклу, богиня любви Афродита поместила в наши глаза четыре элемента — огонь, воду, воздух и землю. Именно свет внутреннего огня, считал философ, помогает людям видеть объекты материального мира. Платон же предполагал, что существуют две формы света — внутренняя (огонь в глазах) и внешняя (свет внешнего мира) — и их смешение дает людям зрение.
По мере изобретения и развития различных оптических приборов представления о свете развивались и трансформировались. Так в конце XVII века возникли две основные теории света — корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса.
Согласно корпускулярной теории, свет представлялся в виде потока частиц (корпускул), излучаемых светящимся объектом. Ньютон считал, что движение световых частиц подчинено законам механики, то есть, например, отражение света понималось как отражение упругого мячика от поверхности. Преломление света ученый объяснял изменением скорости световых частиц при переходе между разными средами.
В волновой теории, в отличие от корпускулярной, свет рассматривался как волновой процесс, подобно механическим волнам. В основе теории лежит принцип Гюйгенса, по которому каждая точка, до которой доходит световая волна, становится центром вторичных волн. Теория Гюйгенса позволила объяснить такие световые явления, как отражение и преломление.
Таким образом, весь XVIII век стал веком борьбы двух теорий света. В первой трети XIX века, однако, корпускулярная теория Ньютона была отвергнута и восторжествовала волновая теория.
Важным открытием XIX века стала выдвинутая английским ученым Максвеллом электромагнитная теория света. Исследования привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость которых достигает скорости света в безвоздушном пространстве. Ученый считал, что световые волны имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода с переменным электрическим током, и отличаются друг от друга лишь длиной.
В 1900 году Макс Планк выдвинул новую квантовую теорию света, согласно которой, свет является потоком определенных и неделимых порций энергии (кванты, фотоны). Развитая Эйнштейном, квантовая теория смогла объяснить не только фотоэлектрический эффект, но и закономерности химического действия света и ряд других явлений.
В настоящее время в науке преобладает корпускулярно-волновой дуализм, то есть свету приписывается двойственная природа. Так при распространении света проявляются его волновые свойства, в то время как при его испускании и поглощении — квантовые.
Но как из света получается цвет? В 1676 году Исаак Ньютон с помощью трёхгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр, который содержал все цвета кроме пурпурного. Ученый проводил свой опыт следующим образом: белый солнечный свет проходил сквозь узкую щель и пропускался через призму, после чего направлялся на экран, где возникало изображение спектра. Непрерывная цветная полоса начиналась с красного и через оранжевый, желтый, зеленый и синий заканчивалась фиолетовым. Если же это изображение пропускалось через собирающую линзу, то на выходе вновь получался белый свет. Таким образом, Ньютон открыл, что белый свет — это комбинация всех цветов.
Любопытным было и следующее наблюдение: если из цветового спектра убрать один из цветов, например, зеленый, а остальные пропустить через собирающую линзу, то полученный в итоге цвет окажется красным — дополнительным к удаленному цвету.
По сути, каждый цвет создается электромагнитными волнами определенной длины. Человеческий глаз способен видеть цвета с длиной волны в диапазоне от 400 до 700 миллимикрон, где наименьшая длина волны соответствует фиолетовому цвету, а наибольшая — красному. Поскольку каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны, то он может быть точно задан длиной волны или частотой колебаний. Сами по себе световые волны бесцветны, цвет возникает лишь при восприятии волн человеческим глазом и мозгом. Однако механизм, по которому мы распознаем эти волны, до сих пор неизвестен.
Что касается цвета предметов, то он возникает, фактически, в процессе поглощения световых волн. То есть, если мы видим, что предмет зеленого цвета, по сути, это означает, что молекулярный состав его поверхности таков, что он поглощает все волны, кроме зеленых. Сами по себе предметы не имеют никакого цвета и обретают его лишь при освещении.
История теории цвета
Одна из первых известных теорий цвета была изложена в трактате «О цвете», написанном в древней Греции. В нем утверждается, что все цвета существуют в спектре между светом и тьмой, а четыре основные цвета происходят из основных стихий: огня, воды, воздуха и земли. Несмотря на наивность и ошибочность взглядов, трактат содержал ряд важных наблюдений, например, о том, что тьма — это отсутствие света, а не цвет.
В 1704 году Исаак Ньютон опубликовал первое издание «Оптики», в котором впервые разложил цветовой спектр по кругу. Это положило начало традиции применения геометрических фигур для изображения цветовых моделей. Так как Ньютон открыл, что соотношение первого и последнего цветов в спектре приблизительно равно 1:2, то есть как в музыкальной октаве, имеющей семь интервалов, количество основных цветов в круге он выбрал по аналогии, разделив круг на семь неравных сегментов в зависимости от интенсивности цвета в спектре.
В 1810 году немецкий поэт, мыслитель и ученый Вольфганг фон Гёте издал свою книгу «Теория цвета», которую посвятил восприятию цвета человеком. Он провел множество экспериментов, в которых измерял реакцию глаза на определенные цвета. Гёте создал, пожалуй, самый известный цветовой круг, на котором расположил три основных цвета — красный, синий и желтый — и три дополнительных, созданных из основных — оранжевый, зеленый и фиолетовый. Гёте полагал, что из основных цветов можно составить все остальные цвета.
Пытаясь создать единую цветовую систему художники начали изображать цветовой спектр в виде объемных фигур. Отличным примером могут послужить цветовые треугольники Тобиаса Майера, которые он опубликовал в своей книге «Комментарий о родстве цветов» в 1775 году. Он расположил в углах треугольника традиционные основные цвета — красный, желтый и синий — и заполнил внутреннее пространство, смешивая противоположные оттенки. Для создания объема он добавил измерение яркости цвета, располагая треугольники разной яркости друг над другом. Таким образом, конкретный цвет стал определяться положением в трехмерном пространстве, что используется и сегодня.
В 1810 году свою теорию цвета издал немецкий художник Филипп Отто Рунге. К основным цветам он причислил белый и черный, расположив их на полюсах своей цветовой сферы, между которыми разместились цветовые пояса. К сожалению, сфера не делала различия между яркостью и насыщенностью цвета и в результате представляла лишь небольшой градиент по интенсивности цвета. Тем не менее, его цветовая сфера послужила основой для последующих цветовых моделей.
В 1839 году французский химик Мишель Эжен Шеврёль представил свою цветовую полусферу. Оттенки для своей модели он выбирал визуально, а не на основе количественного соотношения цветов в них. Для проверки правильности выбора дополнительных цветов в своей модели Шеврёль использовал метод остаточного изображения: если человек будет долго смотреть на зеленый квадрат, а затем переведет взгляд на белую стену, то он увидит красный цвет. Это происходит из-за того, что зеленые рецепторы в сетчатке глаза устают и им требуется дополнительный к зеленому цвет для равновесия.
В начале XX века американский художник Альберт Генри Манселл создал одну из наиболее значимых в истории цветовых моделей, так называемое цветовое дерево Манселла. Основная особенность этой модели заключается в том, что Манселл по-новому обозначил пространственные координаты: оттенок определял тип цвета (красный, синий, желтый), значение определяло яркость (наличие белого в цвете) и цветность отвечала за насыщенность цвета (его чистоту). Эти обозначения используются и сегодня в цветовой модели HSV.
В настоящее время в дизайне, живописи и архитектуре широко используется цветовой круг швейцарского художника и педагога Иоханнеса Иттена. В его 12-частном круге изображена наиболее распространенная система распределения цветов и их взаимодействия. Иттен выделил основные цвета (синий, красный и желтый), вторичные цвета, получаемые при смешении основных (оранжевый, зеленый и фиолетовый) и третичные цвета, которые образуются при смешении вторичного цвета с основным.
Цветовые модели
Цветовая модель — это изображение цветового спектра в виде объемной фигуры. Поскольку большинство современных цветовых моделей имеют три измерения (как например модель RGB), то они могут быть изображены в виде трехмерных фигур.
По принципу действия цветовые модели бывают субтрактивными и аддитивными, они описывают поведение цвета в разных средах. Аддитивные модели (RGB) основаны на сложении цветов и характеризуются тем, что соединяя разные оттенки света, в результате получится белый свет. В основе субтрактивных моделей (CMYK) лежит принцип вычитания, характерный для пигментов, при смешении которых образуется черный цвет. Так, например, в принтерах используются краски трех цветов — голубой, пурпурный и желтый — из которых смешивается приемлемое количество цветов. Черный цвет зачастую используется в целях экономии, так как не может быть эффективно получен из трех красок. В цифровых же устройствах, воспроизводящих изображение с помощью света, используется три основных цвета на пиксель — красный, зеленый и синий. Хотя обе эти модели основаны на разных цветах, дополняющие цвета у них одинаковые.
Для корректной цветопередачи важно использовать правильную цветовую модель. При подготовке макета для печати предпочтительной будет модель CMYK, что сократит искажения цвета и конечный результат будет максимально близок к оригинальному изображению.
RGB — цветовая модель, которая имеет три измерения: красное, зеленое и синее. Ее зачастую изображают в виде куба с красным, зеленым и синим цветами на осях x, y и z. Определяя конкретный цвет, мы задаем его координаты в трехмерном пространстве RGB, где 0% каждого цвета дадут черный, а 100% каждого из основных цветов дадут белый цвет.
HSV (HSB) — цветовая модель, которая перераспределяет основные цвета RGB модели в виде цилиндра. Эта модель имеет такие же измерения, как в цветовом дереве Манселла:
- Оттенок (hue) — измерение, расположенное по окружности, где 0° дает красный цвет, 120° — зеленый и 240° — синий цвет.
- Насыщенность (saturation) — отвечает за количество цвета, при этом 100% насыщенности даст самый чистый цвет, а 0% уйдет в шкалу серого.
- Яркость (value или brightness) — отвечает за наличие белого в цвете. При этом 0% яркости даст черный цвет, а при 100% яркости цвет будет максимально ярким.
Следует учесть, что измерения в модели HSV взаимозависимы. То есть, если, например, яркость выставлена на 0%, то насыщенность и оттенок не будут иметь значения, так как 0% яркости дает черный цвет.
HSL — цилиндрическая цветовая модель, похожая на HSV, но вместо яркости третье измерение в ней отвечает за светлоту цвета (количество белого).
- Оттенок (hue) — так же как в модели HSV определяет положение цвета по окружности.
- Насыщенность (saturation) — также отвечает за чистоту цвета
- Светлота (lightness) — отвечает за количество белого в цвете. 100% светлоты дают белый цвет, 0% — черный, а 50% — наиболее чистый насыщенный цвет.
LAB — обладает самым широким цветовым диапазоном (охватом) за счет того, что в ней, хоть и не явно, используются не три, а четыре базовых цвета. Эта модель состоит из трех каналов:
- L (lightness) — светлота, устанавливает координаты света (100) и тени (0)
- a — спектр от зеленого через серый к пурпурному
- b — спектр от синего через серый к желтому.
Параметры a и b имеют по 256 значений от -128 до 127. При этом их отрицательные значения соответствуют холодным цветам, а положительные — теплым. Нулевые значения каналов a и b дают ахроматическую гамму
CMYK — четырехмерная цветовая модель, используемая в печатном деле. На печати используют всего четыре цвета для получения других цветов: голубой, пурпурный, желтый и черный. Каждое из чисел, которые определяют CMYK цвет, представляет собой процент содержания каждой краски в определенном цвете.
В графических редакторах зачастую можно встретить настройки цвета по нескольким цветовым моделям. Так, например, в Adobe Photoshop можно настраивать цвет по моделям RGB, HSB, CMYK и LAB. Изменение параметров в одной из них влечет к изменению показателей в других моделях.
Приложение Colorizer позволяет настроить цвет по всем выше описанным моделям и нескольким дополнительным. При этом так же как в Photoshop легко проследить взаимосвязь всех цветовых моделей. К тому же Colorizer предоставляет целый набор гармоничных сочетаний с выбранным цветом: комплиментарные цвета, триадные, аналогичные и другие сочетания цветов.
Цветовой охват и цветовые пространства
Поскольку работа дизайнера напрямую связана с цветами, рано или поздно каждый сталкивается с вопросом их воспроизведения. Цвета могут искажаться при загрузке изображения в интернет, при печати или отображении на другом устройстве. Почему же это происходит?
Причина в цветовом охвате. Дело в том, что каждое устройство способно воспроизвести определенный набор цветов, и у разных устройств эти наборы могут сильно разниться. Цвета, которые выходят за пределы общего охвата, на разных устройствах будут отображаться по-разному. Так, например, монитор может отобразить часть цветов, которые отсутствуют в цветовом охвате принтера, что приведет к некоторому искажению при печати. Кроме того, у однотипных устройств цветовой охват может сильно отличаться, то есть один и тот же цвет не будет выглядеть одинаково на разных мониторах.
Проще и удобнее всего сравнить цветовой охват устройства с набором карандашей: у одних устройств это большие богатые наборы со множеством оттенков, у других — скромные наборы, состоящие из базовых цветов. Если в наборе нет нужного оттенка, он заменяется на тот, который доступен, изменяя итоговое изображение. Так же и с цветовым охватом: если устройство не способно воспроизвести определенный цвет, то он заменяется на ближайший доступный. Отсюда и искажения.
Для того, чтобы прояснить работу с цветом, были придуманы абстрактные, не привязанные к конкретному устройству, цветовые пространства. Существует три наиболее распространенных цветовых пространства: sRGB, Adobe RGB 1998 и ProPhoto RGB.
sRGB является самым часто используемым пространством. Оно довольно узкое (покрывает всего 35% видимых цветов), благодаря чему практически любой монитор может воспроизвести все его цвета без искажений. Именно поэтому при создании цифрового дизайна рекомендуется использовать именно sRGB пространство, так как конечный интерфейс будет отображаться корректно у максимального количества пользователей. Однако, с другой стороны, узость sRGB пространства приводит к тому, что его не достаточно для корректной цветопередачи при печати.
Пространство Adobe RGB 1998 было разработано компанией Adobe для того, чтобы покрыть большее количество цветов, достижимых на принтере CMYK, но используя первичные цвета RGB на цифровых устройствах. Оно шире чем, sRGB (покрывает примерно половину всех видимых цветов) и хорошо приспособлено для подготовки изображений для печати. Но стоит учитывать тот факт, что не многие мониторы способны воспроизвести цвета этого пространства.
Охват пространства ProPhoto RGB настолько велик, что включает цвета, которые человеческий глаз не способен воспринять, то есть оно выходит за рамки видимых цветов. Это цветовое пространство было разработано компанией Kodak и предназначено для использования в фотографии.
Восприятие цвета и цветовые иллюзии
Воздействие и восприятие цвета — сложный процесс, обусловленный психологическими факторами и базирующийся на физиологии нервной системы. По мнению Иоханнеса Иттена, глаза и мозг могут прийти к четкому различению цвета лишь с помощью контрастов и сравнений. Он утверждал, что сам цвет и цветовое воздействие совпадают лишь в случае гармонических сочетаний, а во всех остальных случаях цвет приобретает иное измененное качество.
На этой базе и создаются разнообразные цветовые иллюзии. Один и тот же цвет может выглядеть совершенно по-разному на разном фоне или в разных контекстах. Зачастую цвет искажается из-за соседства с другим цветом. Бывает и так, что мозг «видит» цвета, которых нет на изображении, дорисовывая его исходя из прошлого опыта.
Ниже приведены несколько любопытных цветовых иллюзий, в которых цвет играет с нашим восприятием реальности.
Шахматная доска
Поверите ли вы, что клетки А и В одного цвета? Это становится ясно, если открыть изображение в редакторе и проверить цвета с помощью «пипетки». Но из-за того что мозг не хочет нарушать предложенный узор их темных и светлых квадратов, для нас они выглядят по-разному.
По похожему принципу работает и следующая иллюзия — нам кажется, что нижний квадрат светлее верхнего, однако, если закрыть линию их соединения, становится очевидно, что они одного серого цвета.
Иллюзия несуществующих цветов
На изображении ниже кроме белого фона присутствуют только два цвета — салатовый и розовый. Они легко различимы, если между клетками разного цвета есть белый фон, но стоит только разместить их рядом, как они начинают усиливать и затемнять друг друга.
Следующая иллюзия работает благодаря эффекту прошлого опыта. На изображении с клубникой нет ни одного красного пикселя, однако ягоды выглядят красными. Все потому, что, во-первых, мы привыкли видеть клубнику красной, и мозг не хочет признавать, что на изображении она серая. Во-вторых, хотя красного цвета фактически нет, красный канал на изображении наиболее сильный, что способствует тому, что мы видим красный цвет. Как утверждает автор этого фото — японский психолог Акиеши Китаока — секрет в том, что все изображение имеет ярко выраженный голубоватый оттенок, из-за чего наш мозг делает “поправку” на фон и воспринимает различные серые оттенки как цвета, противоположные этому фону.
Иллюзия градиента
Замечено, что на темном фоне цвет выглядит светлее, в то время как на светлом фоне тот же цвет кажется значительно темнее. Этот эффект проиллюстрирован в следующей иллюзии. На самом деле изображения лошадей одного цвета, однако из-за разного фона они выглядят по-разному.
Иллюзия дополняющих цветов
В следующей иллюзии использован эффект остаточного изображения, применяемый еще Мишелем Эженом Шеврёлем при создании его цветовой полусферы. Если долго смотреть на какой-то цвет, это вызывает усталость глазных рецепторов. Для устранения напряжения и достижения гармонии требуется дополняющий цвет. В данном случае черно-белое изображение может на долю секунды показаться цветным, чтобы компенсировать усталость рецепторов после первого насыщенного изображения.
Иллюзия с платьем
И напоследок знаменитая иллюзия с платьем, взорвавшая интернет в 2015 году. По сути, это и не иллюзия, а лишь демонстрация того, насколько по-разному мы воспринимаем реальность. Изображение платья разделило интернет на два лагеря: одни утверждали, что платье белое с золотым, другие были уверена в том, что оно синее с черным. Истина же в том, где, по мнению наблюдателя, расположен источник света и как он освещает платье. Поскольку тени обычно окрашены в синие тона, то в уме мы вычитаем их из изображения, оставляя картинку в бело-золотых оттенках. С другой стороны, искусственный свет зачастую отдает желтизной, поэтому удаляя желтый оттенок, остается изображение в сине-черных цветах.
Цвет — мощнейший инструмент в руках дизайнера. Понимание его природы и свойств поможет использовать этот инструмент более осознанно и эффективно.
Специально для Design Spot.
Это статья из серии наших публикаций про цвет и колористику. Надеемся, вам понравилось. Поэтому, рекомендуем продолжить:
- Взаимодействие цвета (О цветовой гармонии и в целом о цвете, или точнее сказать о его взаимодействии со средой, в которой он обитает.)
- Базовые понятия в колористике (ликбез)
- Цветовой круг, гармонии и колориты (ликбез)
- Цвет настроения синий (все о синем цвете и его применении в дизайне)
- В белом плаще с кровавым подбоем (все о красном цвете и его применении в дизайне)
- Тоска зелёная (все о зелёном цвете и его применении в дизайне)
- Чернее чёрной черноты бесконечности (все о чёрном цвете и его применении в дизайне)
