1.3.2. Синтез цвета

1.3.2.1. Метамерные цвета

Трехкомпонентная теория цветного зрения рассматривает любой цвет как результат воздействия на глаз красного, зеленого и синего световых потоков, смешанных в различных соотношениях. Мы также знаем, что ощущение одного и того же цвета может быть вызвано смешением различных излучений (цветов). Это свойство цветового зрения называется метамерией цвета, а цвета различного спектрального состава, вызывающие у человека одинаковое ощущение цвета, называются метамерными цветами.

У каждого цвета, который воспринимает человек, есть метамерные цвета, т. е. каждый цвет может быть получен смешением различных сочетаний излучений (цветов). Чем выше насыщенность цвета, тем меньше соответствующих ему метамерных цветов. Наибольшее количество метамерных цветов имеют серые и белый (ахроматические) цвета - они могут быть воспроизведены наибольшим числом комбинаций из отличающихся по спектральному составу излучений.

Трехкомпонентность и метамерия цветового зрения определяют возможность получения множества цветов с помощью ограниченного их набора - синтез цвета. Цветная фотография, полиграфия, цветное телевидение и другие способы воспроизведения цветных изображений основываются на синтезе цвета из различных излучений.

1.3.2.2. Основные и дополнительные цвета

Цвета, с помощью которых воспроизводится цветное изображение, называются основными цветами.

В принципе, в качестве основных могут быть выбраны самые различные сочетания из трех, реже двух или четырех цветов. Однако в соответствии со спектральной чувствительностью глаза и трехкомпонентной теорией цветового зрения, в качестве основных цветов чаще всего принимают синий, зеленый и красный - цвета аддитивного синтеза (телевидение) или желтый, пурпурный и голубой - цвета субтрактивного синтеза (цветная фотография, полиграфия).

Цвета (излучения), которые при смешении дают белый или черный цвет называются дополнительными. Для того чтобы цвета (излучения) были дополнительными, необходимо, чтобы в сумме они вызывали одинаковой силы возбуждение всех трех групп цветовоспринимающих светочувствительных элементов глаза (колбочек), что и определяет ощущения белого или серого цвета. Сами излучения могут быть однородными (монохроматическими) или сложного спектрального состава. Естественно, для получения белого цвета они должны быть взяты в равных (фотометрически) количествах.

Поскольку белый свет мы рассматриваем как сумму синего, зеленого и красного световых потоков, то три эти цвета дополнительные. Другой пример дополнительных цветов - триада субтрактивных цветов - желтый, пурпурный и голубой, которые при смешении тоже дают белый цвет.

Для цветной фотографии наибольший интерес представляют пары, в которых одним из составляющих взят первичный цвет, являющийся основным в трехкомпонентной теории цветового зрения: синий - желтый, зеленый - пурпурный, красный - голубой^*.

^* (В некоторых книгах по фотографии синий, зеленый и красный называют основными, а желтый, пурпурный и голубой - Дополнительными цветами.)

1.3.2.3. Аддитивный синтез

Аддитивный синтез цвета (иначе говоря, слагательный) - способ получения множества цветов оптическим смешением (сложением, наложением) синего, зеленого и красного.

Примером аддитивного синтеза цвета может служить проецирование на экран тремя проекторами излучения синего, зеленого и красного цветов (рис. 1.11 - на вклейке).

Рис. 1.11. Схема аддитивного синтеза цвета: 1, 2, 3 - источники белого света; 4 - экран; 5, 6, 7 - аддитивные светофильтры

В табл. 1.2 приведены некоторые цвета, получаемые при аддитивном синтезе. Эта таблица составлена для случая, когда все слагаемые цвета фотометрически равны. Изменяя интенсивность световых потоков, можно получить и другие цвета. Например, увеличивая долю красного излучения в смеси красного и зеленого, получим желто-зеленые, желтые и оранжевые цвета, а в смеси красного и синего - фиолетовые, пурпурные, малиновые и розовые.

Таблица 1.2. Воспроизведение цветов при аддитивном синтезе

У аддитивного синтеза цветов есть две очень существенные особенности.

Первая - синтезированный аддитивным способом цвет зависит от цвета сочетаемых световых потоков и не зависит от их спектрального состава. Это значит, что любое из основных излучений аддитивного синтеза может быть заменено на излучение другого спектрального состава, но вызывающее у человека ощущение того же цвета, т. е. замена одного из основных цветов на метамерный не изменяет суммарный цвет, получаемый при синтезе.

Благодаря этому синий, зеленый и красный световые потоки можно получить различными способами: выделяя спектральные цвета из белого света спектроскопом, применяя монохроматические источники света (газосветные лампы, лазеры), пропуская белый свет через интерференционные светофильтры. Наиболее часто для выделения основных потоков аддитивного синтеза используются зональные светофильтры, каждый из которых пропускает излучение одного цвета и задерживает излучения двух других (см. рис. 1.6).

Вторая особенность аддитивного синтеза - можно получить любой цвет, варьируя только интенсивность потоков основных цветов, без изменения их спектрального состава. Из этого, в частности, следует, что для воспроизведения всего многообразия цветов аддитивного синтеза достаточно набора из трех зональных светофильтров (см. п. 7.2.4.1).

Аддитивный синтез цвета дает возможность получить очень хорошее воспроизведение цветов. Однако, так как каждый зональный фильтр пропускает лишь один из первичных цветов, то при наложении двух и тем более трех фильтров свет будет полностью поглощен. Поэтому использовать аддитивный синтез в технике можно только располагая цветные элементы (микрофильтры) рядом без перекрытия - растровый метод, либо воспроизводя синее, зеленое и красное изображения последовательно во времени, с частотой, незаметной для глаза - цветное телевидение.

1.3.2.4. Субтрактивный синтез

Субтрактивный синтез цвета (вычитательный) - способ получения множества цветов вычитанием из белого цвета отдельных его составляющих. Наиболее часто, в том числе и в цветной фотографии, вычитаются первичные цвета - синий, зеленый и красный. Вычитание производится с помощью светофильтров (красителей), поглощающих (вычитающих) один из первичных цветов и пропускающих два других.

Для поглощения (вычитания) синих лучей используется желтый светофильтр, пропускающий только зеленые и красные лучи. Пурпурный светофильтр задерживает зеленые и пропускает синие и красные лучи. Голубой светофильтр задерживает красные и пропускает синие и зеленые (см. рис. 1.7 на вклейке). Заметим, что цвет субтрактивных фильтров является дополнительным к цвету, который он поглощает.

При прохождении белого света через два субтрактивных светофильтра одинаковой плотности образуется один из основных цветов, тот, который пропускают оба фильтра. Рассмотрим для примера прохождение белого света через пурпурный и желтый фильтры. После пурпурного фильтра поглотятся зеленые лучи и останутся синие и красные. Желтый фильтр задерживает синие лучи и пропускает зеленые и красные, но так как зеленые уже поглощены пурпурным фильтром, останутся только красные лучи - те самые, которые пропускают оба светофильтра. При наложении всех трех субтрактивных светофильтров достаточно большой интенсивности, получим черный цвет (все составляющие поглощены), а при меньшей - серые.

Осуществить субтрактивный синтез света можно, помещая в проецируемый на экран белый световой поток одиночные или сложенные в той или иной комбинации субтрактивные светофильтры. Схема синтеза показана на рис. 1.12 (на вклейке). Другой пример субтрактивного синтеза цвета - получение различных цветов наложением друг на друга трех однокрасочных изображений, окрашенных в голубой, пурпурный и желтый цвет. Эта схема используется в цветной фотографии и полиграфии.

Рис. 1.12. Схема субтрактивного синтеза цвета 1 - источник света; 2 - конденсор; 3 - частично перекрывающиеся субтрактивные светофильтры; 4 - объектив; 5 - экран

В табл. 1.3 приведены некоторые цвета, получаемые при субтрактивном синтезе. Таблица составлена для случая, когда плотности всех светофильтров фотометрически равны. Для того чтобы при субтрактивном способе изменять синтезируемый цвет, нужно использовать светофильтры с различной оптической плотностью или изменять концентрацию красителей однокрасочных изображений.

Таблица 1.3. Воспроизведение цветов при субтрактивном синтезе

Существенная особенность субтрактивного синтеза состоит в том, что сложенные вместе в различных комбинациях субтрактивные светофильтры (красители) работают независимо, хотя и находятся в одном световом потоке. Результирующий цвет не зависит от порядка расположения светофильтров.

1.3.2.5. Графическое выражение цветовых соотношений

Для того чтобы определить, какой цвет получится при том или ином способе синтеза, очень удобно пользоваться так называемым треугольником цветов (рис. 1.13), в котором вершины условно обозначаются тремя первичными цветами, а стороны, противоположные вершинам - цветом, являющимся дополнительным к данному первичному. Результирующий цвет определяют следующим образом.

Рис. 1.13. Треугольник цветов

При аддитивном синтезе цвет, который получается от сложения двух первичных цветов обозначен на стороне, которая находится между соответствующими вершинами. Условно это можно выразить уравнениями

При субтрактивном синтезе цвет, который получается от сложения двух "дополнительных" цветов (основных цветов субтрактивного синтеза), обозначен на вершине, которая является точкой пересечения соответствующих сторон. Условно это выражается так:

Схематически отношения дополнительности пар цветов можно изобразить также в виде цветового круга (рис. 1.14 - см. вклейку).

Рис. 1.14. Цветовой круг

Цветовой круг позволяет наглядно иллюстрировать результаты попарного сложения первичных световых потоков (красного, зеленого, синего) при аддитивном синтезе или светофильтров (красителей) субтрактивного синтеза (желтого, пурпурного, голубого)- см. пп. 1.3.2.3 и 1.3.2.4.

Для каждого случая результирующий цвет лежит на цветовом круге между двумя слагающими.

Так, например, желтый лежит между аддитивными слагающими красным и зеленым, синий - между пурпурным и голубым и т. д. Цвета, лежащие на концах диаметра цветового круга, являются дополнительными.

1.3.2.6. Цветовой охват

Любой используемый в технике способ синтеза цвета не может воспроизвести все многообразие цветов, встречающееся в природе и воспринимаемое человеком. Совокупность цветов, которые могут быть получены при данном способе синтеза, называется цветовой охват.

Границы цветового охвата зависят, главным образом, от чистоты основных цветов используемого способа синтеза: чем выше чистота цветов, тем больше цветовой охват. Получение красителей, обеспечивающих воспроизведение возможно большего разнообразия цветов,- одна из основных задач при создании цветных фотографических материалов.