Основы количественной колориметрии

Для удобства изучения взаимосвязей между цветами в системе цветовую модель изображают, как правило, в виде круга.

Принято выделять две группы цветовых кругов: физические (за основу взят 7-ступенчатый цветовой круг Ньютона) и физиологические (на основе 6-ступенчатого цветового круга Гете) [14].

И. Ньютона с полным правом можно считать основоположником физической науки о цвете. Он показал, что спектр — это естественная шкала цветов, что наиболее воспринимаемые глазом спектральные цвета можно принять за основные. С помощью этих цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый) Ньютон создал 7-ступенчатый цветовой круг (рис. 7) [6].


Наиболее популярным является 8-ступенчатый цветовой круг. К семи цветам спектра добавлен неспектральный пурпурный цвет (рис. 8).


Дальнейшим развитием 8-ступенчатого круга стал 10-ступенчатый: к восьми цветам добавились еще два — желто-зеленый и зелено-голубой в соответствующих местах между желтым и зеленым, зеленым и голубым (рис. 9).


Еще одной десятичной цветовой системой является 100-секторный круг Манселла. В этом круге 10 областей (интервалов). Интервал одного цветового тона состоит из 11 радиусов цветового тона (от 0 до 10), причем последний 10-й радиус предыдущего тона совпадает с начальным нулевым последующего тона. По радиусу 5-го цветового тона расположен основной тон каждого интервала, по 10-м радиусам — крайние границы цвета каждого интервала. Шкала насыщенности располагается вдоль радиуса цветового тона. Она имеет определенное число уровней — от наиболее насыщенного цвета на краю круга до наименее насыщенного к центру круга (рис. 10).


Таким образом, цветовой круг Манселла в широком диапазоне демонстрирует цветность 100 оттенков цветовых тонов — сочетание цветового тона и насыщенности [15]. На основе этой системы разработаны и выпущены цветовые атласы, в которых цвета обозначаются числом или кодом [3].

И. Гете, занимавшийся цветоведением с позиции психофизиологии, эстетики и искусствознания, предложил свою цветовую систему. Цветовой круг Гете содержит шесть цветов: красный, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Идею круга Гете позаимствовал у Ньютона, однако последовательность цветов в цветовом круге Гете представлена не замкнутым спектром, а тремя парами цветов — не дополнительных, как у Ньютона, а контрастных, т. е. порожденных человеческим глазом. Гете извлекает из своего круга полезные эффекты: теперь цветовой круг может служить пособием для художников. С его помощью можно быстро найти гармоничные и негармоничные сочетания цветов, характерные и нехарактерные. В этой схеме гармоничные цвета расположены напротив друг друга (рис. 11) [6].


Смешение цветов в круге Гете не соответствует трехкомпонентной теории смешения цветов по Гельмгольцу, так как не является оптическим. Эта система больше подходит для смешения красок, чем световых лучей. Тем не менее в ней присутствуют почти все цвета спектра (за исключением голубого) [3].

На основе 6-ступенчатого цветового круга Гете был создан 12-ступенчатый. Этот цветовой круг уже можно назвать физиологическим. Как и в цветовой схеме Гете, полярные цвета здесь контрастные. Если зафиксировать на каком-нибудь цвете взгляд, то возникает ощущение присутствия противоположного цвета, называемого контрастным: например, при фиксации на красном — ощущение зеленого, на фиолетовом — желтого и т. д. (рис. 12).


Иоганнес Иттен, швейцарский художник, один из ведущих преподавателей Баухауза, разработал свой цветовой круг (рис. 13). Вот как он сам описывает построение круга: «Для введения в систему цветового конструирования создадим двенадцатичастный цветовой круг, опираясь на основные цвета — желтый, красный и синий. Три основных цвета первого порядка размещаются в равностороннем треугольнике так, чтобы желтый был у вершины, красный — справа внизу и синий — внизу слева. Затем данный треугольник вписывается в круг и на его основе выстраивается равносторонний шестиугольник. В образовавшиеся равнобедренные треугольники мы помещаем три смешанных цвета, каждый из которых состоит из двух основных цветов, и получаем, таким образом, цвета второго порядка: желтый + красный = оранжевый; желтый + синий = зеленый; красный + синий = фиолетовый. Затем на некотором расстоянии от первого круга мы чертим другой и делим полученное между ними кольцо на двенадцать равных частей, размещая основные и составные цвета по месту их расположения и оставляя при этом между каждыми двумя цветами пустой сектор. В эти пустые сектора вводим цвета третьего порядка, каждый из которых создается благодаря смешению цветов первого и второго порядка» [16].


Рассмотренные выше цветовые круги являются условными двумерными цветовыми моделями. Ни один из них не дает представления о ряде чистых ахроматических цветов (от белого через все оттенки серого разной светлоты до черного) и о смесях хроматических цветовых тонов с ахроматическими (на основе ряда ахроматических цветов). Для этих целей были разработаны пространственные цветовые модели (трехмерные). Самой первой трехмерной моделью был цветовой шар О. Рунге, современника Гете, живописца, графика, цветоведа [3].

В «экваториальной» плоскости (сечении) этого шара помещался 6-секторный цветовой круг Гете. По вертикальной оси располагался ряд ахроматических цветов от белого (вверху) до черного (внизу). На «меридианах» поверхности шара, совпадающих с точками основных и смешанных цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый) и сходящихся в точках «северного» и «южного» полюсов, можно проследить изменение цветовых тонов (наиболее насыщенных в «экваториальной» плоскости) по степени убывания насыщенности (чистоты) к «северному полюсу» (разбеливание цвета) и к «южному полюсу» (зачернение цвета). По горизонтальным (широтным) сечениям шара прослеживалось изменение светлоты (яркости) того или иного цветового тона в соответствии с изменением светлоты серого цвета (на вертикальной оси шара) сверху вниз. Промежуточные участки поверхности шара между «меридианами», проходящими через точки шести цветов круга Гете (являющиеся сферическими двуугольниками), представляют собой смешение соседних пар цветов, изменяющихся по чистоте по мере удаления от экваториальной плоскости вверх и вниз. В центре шара —серый цвет как результат оптического смешения всех цветов (рис. 14).


В дальнейшем был предложен ряд пространственных цветовых моделей. Наибольшее признание получило цветовое тело В. Оствальда. Немецкий физик и психолог В. Оствальд считал, что все неизолированные цвета являются смесями гипотетически чистых цветов, максимально освобожденных от зрительно воспринимаемой черноты или белизны, с черным и белым цветом.

Модель В. Оствальда (цветовое тело — цветовое пространство) представляет собой двойной конус — два идентичных конуса с общим основанием и центральной вертикальной осью (рис. 15) [3].


Основание двойного конуса имеет 24 сектора (в соответствии со стандартным цветовым кругом), каждый из которых представляет собой один цветовой тон и имеет форму узкого равнобедренного треугольника, вершиной ориентированного в центр круга (основания).

По контуру основания конуса проходит изовалентная линия «экватора» двойного конуса, соединяющая точки чистых цветов С (color) для всех 24 цветовых тонов. Вершина верхнего конуса представляет собой белый цвет W (white), а нижнего — черный цвет B (black). Между ними проходит вертикальная ось цветового тела, представляющая собой нейтральные серые цвета, изменяющиеся по светлоте от белого до черного. Ромбы вдоль линии ВС — это смеси черного с чистым цветом, а вдоль линии WC — смеси белого и чистого цвета. Вертикальное поперечное сечение цветового тела В. Оствальда представляет собой ромб, разделенный вертикальной осью WB на два треугольника, каждый из которых характеризует все оттенки какого-либо из 24 цветовых тонов, изменяющихся по насыщенности (чистоте) и светлоте (яркости). Оба треугольника в целом и все составляющие их ромбические элементы являются дополнительными друг к другу цветами (диаметрально противолежащими в цветовом круге) и, следовательно, гармонируют друг с другом. Двойной конус в верхней и нижней своих половинах расчленен горизонтальными линиями (окружностями), соединяющими точки цветов, имеющих одинаковое процентное содержание черного и белого, но разный цветовой тон. Эти семь равноотстоящих друг от друга окружностей на верхнем и нижнем конусах названы изовалентными линиями (по аналогии с изо- валентной линией «экватора», соединяющей точки чистых цветов всех 24 цветовых тонов) [3].

На основе цветовой системы В. Оствальда было разработано «Руководство по гармонии цвета», состоящее из карт с треугольниками всех оттенков (каждого из 24 цветовых тонов, расположенных попарно как дополнительные, гармонирующие друг с другом цвета) [15].

Учение об измерении цвета называется колориметрией или метрологией цвета. Исходя из явления смешивания цвета можно количественно оценить любой цвет. Все существующие цвета, как уже отмечалось выше, можно получить путем смешивания трех независимых цветов — красного, зеленого и синего, взятых в определенных количества. Эти основные цвета обозначают начальными буквами английских названий этих цветов: R — красный (red), G — зеленый (green), В — синий (blue). Световые потоки при смешивании образуют белый цвет (при определенной яркости и длинах волн R, G и B).

Один из способов определения цвета основан на измерении его по принципу синтеза. В специальных приборах, колориметрах, где реализован этот принцип, синтезируется цвет, тождественный измеряемому.

Две грани призмы образуют фотометрическое поле. На одну половину поля направляют измеряемое излучение цвета Ц, а на другую — основные цвета R, G, В. Регулируя количество основных цветов, цвета обеих половин поля можно уравнять. Зная характеристики светопоглощающих устройств (поля сравнения), можно найти количество основных, а по ним — координаты измеряемого цвета. Определив цветовые координаты, легко воспроизвести сам цвет. Принцип действия простейшего светоизмерительного прибора схематически отображен на рис. 16.


Длина волны монохроматического излучения, тождественная измеряемому цвету, называется доминирующей длиной волны кдом. Она характеризует цветовой тон цвета Ц. Насыщенность цвета Ц характеризуется колориметрической чистотой цвета р. Она определяет долю того монохроматического излучения, которое обеспечивает в смеси с белым зрительное тождество с рассматриваемым излучением (цветом), и вычисляется по формуле


Светлота в колориметрии определяется через яркость В, которая является количественной характеристикой цвета. Она зависит от количества излучения, необходимого для получения на эталонной грани призмы монохроматического излучения, не отличимого от цвета Ц по светлоте [17].

В первой трехцветной международной колориметрической системе для определения цветов R, G и B в качестве основных были взяты следующие величины монохроматических излучений:

R — 700 нм;

G — 546,1 нм;

B — 435,8 нм.

Красный цвет был получен с помощью лампы накаливания и красного светофильтра, зеленый и синий цвета — путем выделения излучений с длинами волн 546,1 и 435,8 нм из спектра излучений ртутной лампы.

Таким образом, трехцветной колориметрической системой была названа такая система определения цвета, которая основана на возможности воспроизведения данного цвета путем аддитивного смешения трех основных цветов — R, G и B. Световые потоки единичных основных цветов R, G, и B подобраны так, чтобы при их смешении в центре равностороннего цветового треугольника получался белый цвет [3].