Принципы аддитивного и субтрактивного смешения цветов

Трехкомпонентная теория смешения цветов немецкого физика XIX в. Г. Гельмгольца базируется на идее ученого Т. Юнга о трех видах нервных волокон на сетчатке глаза, воспринимающих три основных спектральных цвета — красный, зеленый и синий [3].

Согласно теории Гельмгольца — Юнга существует три вида колбочек:

с максимальной чувствительностью в длинноволновой области видимого спектра;

максимальной чувствительностью в области видимого спектра длин средних волн;

максимальной чувствительностью в коротковолновой области видимого спектра.

Цвет распознается мозгом по относительным уровням сигналов, поступающих от всех трех видов колбочек. Когда стимулируются преимущественно колбочки, чувствительные к длинным волнам, человек видит красный цвет; когда стимулируются преимущественно колбочки, чувствительные к средним волнам, человек видит зеленый цвет; когда стимулируются преимущественно колбочки, чувствительные к коротким волнам, человек, соответственно, видит синий цвет. Поскольку существует лишь три вида колбочек, то зрение человека базируется на восприятии трех вышеперечисленных цветов. Поэтому большинство цветов описываются как темные или светлые и как сочетание двух цветов, например синего и красного — синеватокрасный и т. д. Однако из-за специфики обработки цветовых сигналов от колбочек в мозге человек не может видеть красно-зеленый или зелено-красный цвет. Комбинация красного и зеленого цветов воспринимается мозгом как желтый. Поэтому подобный объект выглядит желто-зеленым и зеленовато-желтым. Такое ощущение возникает при поступлении разного количества сигналов от «красночувствительных» и «зеленочувствительных» колбочек. При поступлении одинакового количества таких сигналов предмет выглядит желтым без примеси красного или зеленого цвета [10].

Степень возбуждения трех видов нервных волокон (колбочек) Гельмгольц отразил в виде схемы, где на горизонтальной линии отмечены цвета спектра от красного (R) до фиолетового (V). Кривые на схеме обозначают волокна, возбуждаемые красным, зеленым и синим цветами (рис. 2) [3].

Простой (чистый) красный цвет (волны наибольшей длины в спектре) сильно возбуждает волокна, ощущающие красный цвет, но слабо два других типа волокон. Простой желтый значительно возбуждает зрительные волокна, ощущающие красный и зеленый цвета, но слабо — фиолетовые. Простой зеленый сильно возбуждает зеленоощущающие волокна и слабо остальные два типа и т. д. Тот или иной сложный оттенок цвета зависит, по-видимому, от разной степени возбуждения этих трех типов волокон. А равномерное возбуждение всех типов дает ощущение белого цвета.


Г. Гельмгольц не обнаружил анатомического подтверждения своей теории, т. е. существования трех видов нервных волокон (колбочек). Нет официального подтверждения и сейчас: попытки предпринимаются до сих пор, но остаются безуспешными. После Гельмгольца и Юнга было создано несколько теорий смешения цветов, получен ряд новых данных по теории цветового зрения, но ни одна из этих теорий не стала столь популярна. Трехкомпонентная теория смешения цветов Юнга — Гельмгольца хорошо объясняет многие факты физиологии цветового зрения и широко используется в ряде отраслей науки и техники (в том числе в фотографии, цветном телевидении, кино, видео, полиграфии, компьютерной технике и т. д.) [4].

Цветовая система смешения цветов из трех основных цветовых тонов геометрически изображается в виде равностороннего треугольника (треугольник Максвелла), в углах которого обозначены три первичных цвета: красный, зеленый, синий (сине-фиолетовый). Аддитивным (слагательным) смешением монохроматического света трех длин волн, соответствующих этим цветам, можно получить очень широкий диапазон цветов, включающий все цветовые тона разной чистоты (насыщенности). Равные количества первичного красного и синего дают луч пурпурного цвета; синего и зеленого — луч голубого цвета; зеленого и красного — желтого. На линии, соединяющей точку, обозначающую желтый цвет (на правой стороне треугольника), с точкой в вершине треугольника, обозначающей зеленый цвет, получается желто-зеленый цвет. А на линии, соединяющей точку, обозначающую красный цвет (правый угол треугольника), с точкой, обозначающей голубой цвет (посередине левой стороны треугольника), между точкой Е, условно обозначающей белый цвет (как смешение всех цветов), и точкой R (красный цвет) помещается точка Р, обозначающая розовый цвет. Чем ближе к точке Е, тем он бледнее, чем ближе к точке R, тем насыщеннее, темнее. Таким же образом можно на этом треугольнике показать все смешения насыщенных цветов (размещаемых на сторонах и в углах треугольника) и смешения всех ненасыщенных (разбеленных) цветов внутри этого треугольника в соответствующих точках на условной сетке, полученной пересечением горизонтальных и наклонных линий, параллельных сторонам равностороннего треугольника (рис. 3) [3].


Именно на трехкомпонентной теории Юнга — Гельмгольца базируется аддитивный метод смешения цветов (монохроматических световых потоков цветных источников света), но об этом ниже.

Существует два диаметрально противоположных метода смешивания цветов или цветовоспроизведения: аддитивный (слагательный) и субтрактивный (вычитательный).

Аддитивное смешение цветов происходит тогда, когда свет от двух и более источников соединяется (смешивается) прежде, чем он достигнет глаз [11]. Удобный способ демонстрации такого эффекта состоит в проецировании на белую стену двух цветных лучей таким образом, чтобы они налагались друг на друга и комбинированный свет двух потоков отражался от стены. Воспринимаемые цветовые тона двух исходных лучей суммируются, и объединенный (отраженный) луч будет иметь промежуточный тон.

Физическая сущность аддитивного метода образования цветов — суммирование световых потоков, тем или иным способом окрашенных в один из основных (первичных) цветов: красный, зеленый или синий. На участках наложения двух основных цветов появляется вторичный — смешанный — цвет. При наложении зеленого и синего цветов получается голубой цвет; синий и красный цвета при смешивании дают пурпурный; и, наконец, красный и зеленый — желтый. При полном отсутствии этих цветов получается черный цвет, если же цвета представлены в своей максимальной интенсивности, то результирующим является белый цвет (рис. 4).


Будучи смешанными в различных соотношениях, основные цвета аддитивной системы — красный, зеленый и синий — обеспечивают ту цветовую палитру, которую мы видим. Телевизионный монитор и цифровой проектор являются наиболее распространенными примерами аддитивного метода смешивания цвета [10].

Можно выделить несколько видов аддитивного (слагательного) смешения:

пространственное — совмещение в одном пространстве различно окрашенных световых лучей (например, использование декоративного освещения в архитектуре и интерьере, в театре и цирке);

оптическое — формирование определенного цвета в органе зрения, когда слагаемые цвета в пространстве разделены (например, живопись в стиле пуантилизм);

временное — этот вид смешения можно наблюдать при использовании прибора для смешения цветов Максвелла: если вращать вертушку с укрепленными на ней цветовыми дисками со скоростью 2000 об/мин, цвета дисков станут неразличимы и сольются в один суммарный цвет;

бинокулярное — смешение, которое наблюдается при использовании очков с разными цветными стеклами: наблюдаемый цвет будет равен сумме цветов двух стекол [12].

Основные правила аддитивного смешения:

1. При смешении двух цветов, расположенных на хорде 10-ступенчатого (физического) цветового круга, получается цвет промежуточного цветового тона: красный + зеленый = желтый; пурпурный + зелено-голубой = синий; красный + желтый = оранжевый и т. д. Чем ближе по кругу расположены смешиваемые цвета, тем насыщеннее получается суммарный цвет.

2. При смешении противоположных цветов 10-ступенчатого круга получается ахроматический цвет. Такие цвета называются взаимно дополняющими: красный — зелено-голубой; оранжевый — голубой; желтый — синий; желто-зеленый — фиолетовый; зеленый — пурпурный.

Субтрактивное смешение цветов заключается в вычитании определенной длины волны из спектра белого цвета. Субтрактивный метод можно наглядно представить, пропуская луч солнечного света последовательно через два цветных светофильтра. Каждый светофильтр поглощает и пропускает определенные цвета, и на выходе остается луч света, окрашенный смешанным цветом пропущенных светофильтрами лучей [13]. Тремя основными цветами субтрактивной системы являются голубой, пурпурный и желтый. При полном отсутствии этих цветов получается белый цвет, так как из белого ничего не вычиталось. Если все три названные цвета присутствуют в свете в максимальных количествах, то получается черный, поскольку из белого света вычитаются все его составляющие. Все цвета, которые могут быть получены с помощью трехцветной субтрактивной системы, являются комбинациями этих трех основных субтрактивных цветов (рис. 5) [10].


Видимые глазом цвета субтрактивного синтеза получаются благодаря отражению или пропусканию, но не поглощению волн определенной длины. Голубой цвет поглощает красный и отражает или пропускает зеленый и синий; пурпурный поглощает зеленый и отражает или пропускает красный и синий, а желтый поглощает синий и отражает или пропускает красный и зеленый цвета. Цвета, поглощаемые основными субтрактивными цветами, называют дополнительными. Дополнительным цветом голубого является красный, пурпурного — зеленый, желтого — синий. Мы видим именно отраженный или пропущенный свет. Поэтому комбинация пурпурного и желтого фильтров выглядит красной: пурпурный цвет поглощает зеленый, а желтый поглощает синий. Остается только красный цвет, который мы, собственно, и воспринимаем [10].

В стандартном цветовом круге (24 цветовых тона) цвета, противолежащие друг к другу, являются дополнительными. При их оптическом смешении получается белый цвет. Поэтому при субтрактивном смешении в целях получения определенного цвета пучок белого света пропускают через светофильтр, поглощающий излучения, соответствующие дополнительному цвету к тому, который требуется получить. Если два цвета являются дополнительными, то вычитанием (с помощью соответствующих светофильтров) одного из них из состава белого света получают второй цвет [3].

Всякое хроматическое тело (краска, фильтр и др.) отражает или пропускает лучи собственного цвета и поглощает цвет, дополнительный к собственному.

Система субтрактивного получения цветов на практике обычно ассоциируется с системами, использующими для цветовоспроизведения химические вещества (чернила или красители для бумаги), при всех видах отражения и пропускания света (цветной кинематограф, цветная фотография, светофильтры и т. п.).

Оба метода цветовоспроизводства — аддитивный и субтрактивный — используются в компьютерных программах, где большое значение имеет цвет (Adobe Photoshop, CorelDRAW и т. д.) [10].

При смешивании красок субтрактивный метод не применяется в чистом виде, поскольку связующие вещества, применяемые в них, не являются абсолютно прозрачными и бесцветными [3]. Для получения всех цветов круга при механическом смешивании красок чаще используют красный, желтый и синий цвет. Их называют основными красками в живописи, полиграфии и промышленности (рис. 6) [12].