Лекция 2. Свет и цвет. 
Природа цвета и его физические основы

Цель:

• · ознакомление с основными понятиями и определениями цветоведения;
• · теоретическое ознакомление с основными характеристиками цвета для выполнения последующей практической работы.

Ежедневно человек сталкивается с множеством факторов внешней среды, воздействующих на него. Одним из таких факторов, оказывающих сильное влияние, является цвет. Известно, что цвет может быть виден человеком лишь при свете, в темноте мы не видим никаких цветов. Световые волны воспринимаются человеческим глазом. Мы видим предметы потому, что они отражают свет и потому, что наш глаз способен воспринять эти отраженные лучи. Лучи солнечного или электрического света — световые волны в зрительном аппарате человека преобразуется в ощущение. Это преобразование происходит в три этапа: физический, физиологический, психологический.

Физический — излучение света; физиологический — воздействие цвета на глаз и преобразование его в нервные импульсы, идущие в мозг человека; психологический — восприятие цвета.

Физический этап формирования зрительного восприятия заключается в преобразовании энергии видимого излучения различными средами в энергию измененного потока излучения и изучается физикой.

Видимое излучение называют светом. Свет — видимая часть электромагнитного спектра, это частный случай электромагнитного излучения. Физики шутят, что свет — самое темное место в физике. Свет имеет двойственную природу: при распространении он ведет себя как волна, а при поглощении и излучении — как поток частиц. Итак, свет принадлежит пространству, а цвет — предмету. Цвет — это ощущение, которое возникает в органе зрения человека при воздействии на него света [25, с. 167].

В цветоведении принято рассматривать свет как электромагнитное волновое движение. В области видимого излучения каждой длине волны соответствует ощущение какого-либо цвета.

В спектре белого солнечного света различают семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Глаз среднего наблюдателя способен различить в спектре белого света около 120 цветов. Для удобства обозначения цветов принято деление спектра оптического излучения на три зоны:

• — длинноволновую — от красного до оранжевого;
• — средневолновую — от оранжевого до голубого;
• — коротковолновую — от голубого до фиолетового.

Это деление оправдывается качественными различиями между цветами, входящими в различные области спектра. Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны (таблица 1), т. е. он может быть точно задан длиной волны или частотой колебаний. Самые короткие волны — фиолетовые, самые длинные — красные. Световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн зрительным аппаратом человека.

Глаз способен воспринимать волны длиной от 400 до 700 нанометров (нанометр — одна миллиардная метра, единица измерения длины световых волн).

Таблица 1. Соответствие диапазонов длин волн ощущениям цветов.

С двух сторон от видимой части спектра находятся ультрафиолетовые и инфракрасные области, которые не воспринимаются человеческим глазом, но могут улавливаться специальным оборудованием. С помощью инфракрасного излучения работают камеры ночного видения, а ультрафиолетовое излучение хоть и невидимо человеческому глазу, но может нанести зрению значительный вред. Скорость распространения всех видов волн электромагнитных колебаний равна приближенно 300 000 км/с.

Световые волны попадают на сетчатку глаза, где воспринимаются светочувствительными рецепторами, передающими сигналы в мозг, и уже там складывается ощущение цвета. Это ощущение зависит от длины волн и интенсивности излучения. А все предметы, которые нас окружают, могут или излучать свет (цвет), или отражать или пропускать падающий на них свет частично или полностью.

Например, если трава зеленая, это значит, что из всего диапазона волн она отражает в основном волны зеленой части спектра, а остальные поглощает. Когда мы говорим «эта чашка красная», то мы на самом деле имеем в виду, что она поглощает все световые лучи, кроме красных. Чашка сама по себе не имеет никакого цвета, цвет создается при ее освещении [14, с. 18]. Таким образом, красная чашка отражает в основном волны красной части спектра. Если мы говорим, что какой-либо объект имеет какой-либо цвет, это значит, что на самом деле этот объект (или его поверхность) имеет свойство отражать волны определенной длины, и отраженный свет воспринимается как цвет предмета. Если предмет полностью задерживает падающий свет, он будет казаться нам черным, а если отражает все падающие лучи — белым. Правда, последнее утверждение будет верным лишь в том случае, если свет будет белым, неокрашенным. Если же свет приобретает какой-либо оттенок, то и отражающая поверхность будет иметь такой же оттенок. Это можно наблюдать на закате солнца, которое окрашивает все вокруг багряными тонами, или в сумеречный зимний вечер, когда снег кажется синим. Эксперимент с использованием окрашенного цвета довольно любопытно описывает И. Иттен в своей книге «Искусство цвета» [15, с. 83].

Каким образом зрительный аппарат распознает эти волны, до настоящего времени еще полностью не известно. Мы знаем только то, что различные цвета возникают в результате количественных различий светочувствительности.

В данном контексте логично было бы напомнить еще одно определение цвета. Цвет — это различное число колебаний световых волн данного источника света, воспринимаемых нашим глазом в виде определенных ощущений, которые мы называем цветовыми [9, с. 6].

Ощущение цвета создается при условии преобладания в цвете волн определенной длины. Но если интенсивность всех волн одинаковая, то цвет воспринимается как белый или серый. Не излучающий волн предмет воспринимается как черный. В связи с этим все зрительные ощущения цвета разделяются на две группы: хроматические и ахроматические.

Ахроматическими называют белый, черный цвета и все серые цвета. В их спектр входят лучи всех длин волн в равной степени. Если же возникает преобладание какой-то одной длины волны, то такой цвет становится хроматическим. К хроматическим цветам относятся все спектральные и другие природные цвета.

Для однозначности определения (спецификации) цвета часто используется система психофизических характеристик. К ним относятся следующие характеристики:

• — цветовой тон,
• — светлота;
• — насыщенность.

Цветовой тон — качество цвета, позволяющее дать ему название (например, красный, синий и т. д.). Интересно, что нетренированный глаз при ярком дневном освещении различает до 180 цветовых тонов, а развитый человеческий глаз способен различать около 360 оттенков цвета. Ахроматические цвета не имеют цветового тона.

Светлота — это степень отличия данного цвета от черного. В спектральных цветах самым светлым является желтый цвет, самым темным — фиолетовый. В пределах одного цветового тона степень светлоты зависит от применения белого. Светлота — степень, присущая как хроматическим, так и ахроматическим цветам. Оттенки одного цвета различной светлоты называют монохромными.

Насыщенность — это степень отличия хроматического цвета от равного по светлоте ахроматического. Так, если чистый спектральный цвет, например красный, принять за 100%, то при смешении 70% красного и 30% белого насыщенность полученной смеси будет равна 70%. От насыщенности зависит степень восприятия цвета.

Наиболее насыщены цвета спектра, причем самый насыщенный из них фиолетовый, а менее всего насыщен желтый.

Ахроматические цвета можно назвать цветами нулевой насыщенности.

Натренированный человеческий глаз может различить около 25 оттенков цвета по насыщенности, от 65 оттенков — по светлоте при высокой освещенности и до 20 — при пониженной.

Собственные и несобственные качества цвета. Цвет, тон, светлота, насыщенность называют собственными качествами цвета. Собственные качества — это те качества, которые ему объективно присущи.

Несобственные качества цветам объективно не присущи, а возникают вследствие эмоциональной реакции при их восприятии. Мы говорим, что цвета бывают теплые и холодные, легкие и тяжелые, глухие и звонкие, выступающие и отступающие, мягкие и жесткие. Эти характеристики важны для художника, так как посредством их усиливается выразительность и эмоциональный настрой произведения [22, с. 59].

Изменение объемности изображения зависит от насыщенности цвета (рис. 1) Активно насыщенные цвета делают изображение более объемным, нежели цвета слабо насыщенные или затемненные. Разбел и затемнение не только снижают активность цвета, но и ослабляют цветовые контрасты между пятнами. Монохромное изображение, так же как и насыщенное, способно активно передать объем, приближенный к ахроматическому варианту [22, с. 59].

Систематика и классификация цветов

От древности до нашей эпохи проблема систематики цвета претерпевает большие изменения. Историю классификации цвета можно подразделить на два больших периода [25, с. 9].

Первый — с доисторических времен по XVI в., второй — от XVII в. до наших дней. До начала XVII в. классификация цвета строилась на основе культовой мифологии или некоторых частных рекомендаций.

В пору античной культуры наука начинает понемногу вытеснять мифологизм мышления и религию. Усложнение культуры и утрата единства способа мышления привели к усложнению проблемы классификации цвета. Цвета делятся в тот период на благородные и низкие, культурные и варварские, темные и яркие. Вводится деление на цвета архитектурной полихромии и цвета живописи.

В средневековой Европе отношение к цвету упрощается, т.к. появляется единое основание для этого отношения — христианская религия. Цвета разделяются на «божественные» и «богопротивные». Первые — почитаемые, вторые — второстепенные или вовсе презираемые (серый, коричневый). Тоже происходит и в странах Ближнего Востока, принявших ислам.

В эпоху Возрождения в Европе используют как античную, так и средневековую классификацию цветов. Леонардо да Винчи вводит «практически-живописную» систему цветов, исходя из минимальной палитры живописца.

С XVII в. начинается новый этап изучения цвета. Открытие И. Ньютона корпускулярной теории цвета закладывает «физический» фундамент цветоведения. Изучается цветовая гармония, виды контрастов, психологическое воздействие цвета, цветовые ассоциации, наводится порядок в цветовой терминологии, рассматривается искусство контрастных сопоставлений.

Полученный Ньютоном спектр содержал все спектральные цвета. Ученый соединил концы спектра в круг, соединив их пурпурным (неспектральным) цветом. Таким образом, был получен цветовой круг, который уже четвертое столетие признается всеми как первооснова цветоведения и символ гармонии [6, с. 25].

Восьмеричный цветовой круг, оказался очень удобным для технических и научных целей. Он делится на восемь частей двумя крестами — прямым и косым; площади всех секторов равны. Остается только расположить цвета по секторам в спектральном порядке — и схема готова. Главными осями симметрии в этом круге являются не вертикальная и горизонтальная, а оранжево-синяя и пурпурно-зеленая.

Первая ось — это диаметр, разделяющий круг на «теплую» и «холодную» половины, вторая (т.е. пурпурно-зеленый) делит круг на «активную» и «пассивную» половины (по терминологии Гёте). Как и следовало ожидать, простота схемы не всегда обеспечивает ее точность.

Принято выделять две группы цветовых кругов: физические (за основу взят цветовой круг Ньютона) и физиологические (за основу взят 6-ступенчатый цветовой круг Гёте).

В конце XVIII в. Гёте предложил новый способ классификации цветов — по физиологическому принципу [25, с. 10]. Построенный им цветовой круг состоит из трех пар контрастных цветов (рис. 4). Основой круга служит треугольник главных цветов, но это не цвета спектра, а самые употребляемые художниками краски — красная, синяя и желтая. Таким образом, в систематике цвета Гёте исходит отчасти из естественнонаучных наблюдений (явление цветовой индукции), отчасти из обобщения практических операций живописцев (смешение красок).

Д.К. Максвелл добавляет к восьмеричному кругу еще два цвета: желто-зеленый и зелено-голубой. Цвета, расположенные друг против друга в этом круге являются взаимодополняемыми. В круг входят: красный, оранжевый, желтый, желто-зеленый, зеленый, зелено-голубой, голубой, синий, фиолетовый, пурпурный.

Вслед за цветовыми кругами Ньютона и Гёте, появилось множество цветовых систем (моделей), как плоских — полосы, круги, треугольники, звезды и т. д., так и пространственных — шары, конусы, пирамиды, призмы и т. д. Для более точных и дифференцированных цветовых систем используются 24-ступенчатые круги (Оствальда, Рабкина), которые можно построить, разделив каждый сектор 8-ступенчатыйого круга на три части, соответствующие трем оттенкам каждого цвета. Затем из 24-ступенчатого круга можно таким же способом получить 72-ступенчатый. Такой круг был построен во Франции М. Шеврёлем в конце ХVIII в.

Благодаря трудам немецкого ученого И. Ламберта (цветовая пирамида) и немецкого живописца Ф. О. Рунге цветовая система приобрела третье измерение и вышла в пространство. Рунге построил «цветовой шар», по экватору которого располагались оптимально насыщенные цвета спектра, к полюсу по мередианам — цвета, изменяющиеся по светлоте. Белый и черный цвета находились в полюсах шара. Цвет образовал свою автономную, замкнутую шарообразную систему. Трехмерная цветовая модель Рунге послужила основой для всех последующих моделей [6. с. 27−28].

В XIX в. происходит уточнение основных цветов (Г. Гельмгольц). Появляются новые цветовые системы, учитывающие классификацию цветов в трехмерном пространстве: пространственное тело в виде двойного конуса (Оствальд, Рабкин), спиралевидная фигура (Манселл), многогранники со скругленными и острыми ребрами (Юстова, Кюпперс). В системах В. Ф. Оствальда и А. Манселла были приняты три основные характеристики цвета: насыщенность, светлота и цветовой тон. Обе системы обладают не только возможностью точной характеристики любого цвета, но и общими рекомендациями по составлению цветовых гармоний [6. с. 28].

В XX в. строятся различные цветовые круги, разрабатываются цветовые атласы. Многие из них стали национальными цветовыми стандартами. Так одна из самых известных цветовых таблиц Альберта А. Манселла (США) «Атлас цветовой системы», изданная в 1915 г. — наиболее распространенная система классификации цветов, используемая сегодня художниками и колористами всего мира. На основе его цветовой системы в США выпущен «Атлас цветов», включающий в себя 2000 оттенков.

Несмотря на высокую чувствительность глаза к цветовым различиям, он не способен без дополнительных физических инструментов дать точную количественную оценку основным параметрам цветных образцов. В этом случае на помощь приходит наука об измерении и количественном выражении цвета — колориметрия.

Существует множество современных колориметрических приборов. Это визуальные и фотоэлектрические колориметры, объективные компараторы цвета, спектрофотометры и пр. Все они необходимые помощники во многих областях человеческой деятельности: в космической и военной промышленности, в геологии и строительстве, в торговле и многих видах дизайна.

Для современных цветовых систем, существующих на сегодняшний момент: MKO (CIE), TGL, NCS, RGB, CMYK и пр., основным элементом для является атлас цветов. Это важнейший инструмент, вносящий порядок в изготовление красящих составов. В различных отраслях промышленности широко используется система цветовых оттенков RAL. Впервые стандарт RAL был представлен в 1927 году Немецким Институтом Гарантий Качества и Сертификации (Райх Аусшлюс фюр Лифербедингунген, или сокращенно RAL) по просьбе производителей лакокрасочной продукции. Институт установил стандарт на цветовое пространство, разделив его на диапазоны и обозначив каждый цвет цифровым индексом. С тех пор компания RAL постоянно разрабатывает и добавляет новые образцы цветов, в соответствии с потребностями растущего рынка. На сегодняшний день таблица цвета RAL — самая популярная и старейшая система цветовых оттенков в мире, используемая российскими и зарубежными компаниями для единого обозначения цвета.

Существуют также различные колерные книжки, каталоги, опорные шкалы цветов, цветовые веера, цветовые библии (библиотеки), которые помогают выбирать необходимые цвета и создавать гармонические цветовые сочетания для различных областей человеческой деятельности [6, с. 23−29]. Цвет в науке и технике превратился в цифровую систему.

Вопросы:

• 1. Что такое цветовой круг?
• 2. Охарактеризуйте другие цветовые модели и системы
• 3. В чем разница между хроматическими и ахроматическими цветами?
• 4. Дайте определение «цвета»
• 5. Что подразумевают под несобственными качествами цвета?
• 6. Охарактеризуйте несобственные качества цвета