Природа света и цвета

В явлении цвета можно выделить три основных процесса — физический, физиологический и собственно психологический. Когда говорят о физическом процессе, то подразумевают процесс излучения световой энергии, обладающий своими характерными свойствами. Когда эта энергия воздействует на нервные клетки зрительной системы, тогда речь идет о физиологическом процессе цветоощущения. Собственно психологический процесс имеет место при возникновении в сознании у наблюдателя того или иного ощущения цветового оттенка. Таким образом, ощущение цвета является результатом сложных процессов разной природы; это итог взаимодействия энергии света и наблюдателя. Цвет существует постольку, поскольку зрительная система живого существа способна улавливать и интерпретировать световые волны. В дальнейшем при изложении основ цветоощущения мы подробнее остановимся на этих двух компонентах — свете и наблюдателе.

Свет — это видимая часть электромагнитного спектра. В физике свет изучается в оптике, в которой считается, что он может рассматриваться либо как волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов частиц, обладающих определенной энергией и нулевой массой покоя. С точки зрения волновой оптики световая волна — это процесс колебания электрического и магнитного полей, распространяющийся в пространстве. Как электромагнитная волна свет описывается при помощи ряда параметров, имеющих важное значение для ощущения цвета. К этим параметрам относят длину волны, ее амплитуду и спектральную чистоту (рис. 4.3). Длина волны определяется как расстояние между двумя соседними гребнями волны. Длина волны измеряется в нанометрах (нм). Область электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом, занимает диапазон примерно от 380 до 760 нм. Этот диапазон составляет всего лишь малую часть огромного спектра электромагнитных волн.

Практически всякий свет, с которым мы встречаемся, состоит из смеси колебаний различных длин волн, поэтому световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяются на простые и сложные. Все искусственные и естественные источники освещения электрические лампы, прямой солнечный свет и свет в пасмурный день — состоят из очень большого количества колебаний различной длины волны. Простой, или монохроматический, свет, т. е. свет, состоящий из колебаний только одной определенной длины волны, мы имеем лишь в исключительных случаях, в основном — в лабораторных условиях. Простое излучение не может быть разложено ни на какие другие цвета. Спектр — это последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания.

Рис. 4.3. Световая волна и ее параметры.

Наиболее простым способом получения монохроматического света является описанный выше опыт Ньютона по разложению сложного света в спектр с помощью призмы. При разложении белого света призмой в непрерывный спектр цвета в нем постепенно переходят один в другой. Принято считать, что в некоторых границах длин волн (X) излучения оказывают такое влияние на зрительную систему, что наблюдатель видит цвета, как указано в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Психофизические эквиваленты длины волны света.

Таким образом, цветовой топ — это качество цвета, определяемое длиной световой волны, которое позволяет сравнить его с одним из спектральных цветов и дать ему название. Спектральная чувствительность глаза к световым волнам различной длины неодинакова. При дневном (фото- пинеском — от греч. photas — свет и ops — глаз) зрении с участием только колбочек максимум световой чувствительности соответствует длине волны X = 556 нм, при ночном (скотопическом — от греч. skotos — темнота и ops — глаз) зрении с участием только палочек максимум чувствительности смещается в коротковолновую область: X = 507 нм. Таким образом, наиболее яркими кажутся человеческому глазу лучи, длины волн которых соответствуют желто-зеленой части спектра (556 нм), а в сумерки наиболее ярким кажется не желто-зеленый цвет, а зеленый цвет (507 нм). С наступлением темноты красно-фиолетовые цвета темнеют, а зелено-голубые цвета светлеют. Такое несоответствие спектральной чувствительности палочек и колбочек получило название феномена Пуркинъе^[1].

Разлагая свет в спектр на составляющие его монохроматические компоненты, можно увидеть, из каких различных по длине волны колебаний состоит свет. Спектральный состав излучения — также важная его характеристика. Один и тот же цвет может быть получен смешением различных излучений. Цвета излучений, имеющие различный спектральный состав, но зрительно воспринимающиеся одинаковыми, называются метамерами. Этот термин ввел Вильгельм Освальд в 1919 г.^[2] Монохроматическое излучение всегда ощущается как более насыщенное, чем смешанное; насыщенность как субъективное качества цвета зависит от такого свойства излучения как спектральная чистота. Насыщенность цвета показывает степень отличия данного цвета от ахроматического цвета. К числу ахроматических относят белый, черный и все серые от наиболее темных до самых светлых. Все прочие цвета называются хроматическими и отличаются от ахроматических наличием того или иного «цветного оттенка», который у строго ахроматических «цветов» полностью отсутствует.

Однако информации о спектральном составе излучения недостаточно для полной характеристики цветового ощущения. Необходимо знать количество каждого из монохроматических компонентов сложной волны, т. е. для каждой длины волны надо знать ее амплитуду. Из физики известно, что для создания какого-либо колебания нужна затрата энергии, причем чем больше затраченная энергия, тем больше будет амплитуда колебания. Амплитуда пропорциональна энергии, заключенной в данном колебании. От величины амплитуды колебания зависит только количественная сторона явления, т. е. сила, с которой оно проявляется. Поэтому от интенсивности излучения зависит такая характеристика цветового ощущения, как его яркость: чем интенсивнее излучение, тем ярче цветовое ощущение. В психологии в определении этого свойства цветового ощущения иногда еще используют термин «светлота». В психофизике принято разделять термины «светлота» и «яркость». Под яркостью подразумевают объективную светимость объекта, его отражательную способность, которая зависит от освещенности, под светлотой — ее субъективное отображение в сознании наблюдателя (по аналогии с интенсивностью звука и громкостью). В психофизиологии цветового зрения можно встретить употребление этих двух терминов как синонимов¹. В изобразительном искусстве яркость цвета принято представлять как коэффициент отражения (Р), равный отношению отраженного светового потока (Р_отр) к падающему (Р_пад), взятый в процентах^[3][4]:

Все характеристики цветового ощущения связаны друг с другом. Цветовой тон и насыщенность вместе дают такую характеристику, как цветность. Также цветовой тон зависит от яркости стимула. Эта зависимость получила название феномен Бецолъда — Брюкке^[5]. При увеличении яркости все цветовые тона сдвигаются к двум цветам — синему и желтому. В синий цвет превращаются коротковолновые излучения (фиолетовой гаммы), а также голубые и сине-зеленые. Средневолновые (зеленые и желто-зеленые) и длинноволновые (оттенки красного) излучения превращаются в желтый цвет. При уменьшении яркости идет обратный процесс: желтые, оранжевые и фиолетовые цвета краснеют, желто-зеленые и сине-зеленые — зеленеют, т. е. также происходит смещение к двум цветам, только к иным — красному и зеленому. Также от яркости цвета зависит его насыщенность: увеличение яркости спектрального излучения приводит к постепенному увеличению его насыщенности, но до определенного уровня, после которого увеличение яркости приводит уже к снижению насыщенности и при большой яркости излучение воспринимается уже как монохроматическое. Значение этой точки яркости, после которой насыщенность начинает падать, для каждого цвета свое.

Ощущение цвета, как было показано выше, зависит от свойств световой волны (табл. 4.2). При этом само ощущение возникает при действии определенного раздражителя. Все раздражители окружающего мира, которые могут привести к ощущению цвета, можно условно разбить на три группы. К первой группе относятся раздражители чистого светового излучения, и тогда ощущение цвета относится к знанию о цвете источника света. На самом деле в реальности мы редко имеем дело с цветом излучения; такой цвет можно получить в лаборатории, и в этом случае ощущаемый цвет называют апертурным (лат. apertus — открытый). Апертурный цвет противопоставляется предметному цвету, т. е. цвету конкретного предмета окружающего мира. Даже если мы видим цветной луч, проходящий через какой-то фильтр, это цвет фильтра — объекта реального мира. Апертурный же цвет получается путем варьирования длин волн излучения при помощи разных устройств. Цвет как продукт фильтрации света — это результат второй группы раздражителей, приводящих к ощущению цвета. Здесь цвет объекта определяется совокупностью длин волн, прошедших через фильтр. Но чаще всего мы видим цвет, когда на объект падает свет и поверхность этого объекта отражает хотя бы небольшую часть падающего на них света. Возможность поглощать и отражать свет всегда зависит от химического состава предмета или его поверхности. В этом случае раздражителем для возникновения ощущения цвета является видоизмененный в результате частичного поглощения свет.

Связь между физическими и психологическими параметрами цвета.

Таблица 4.2

• [1] Пуркиньс Ян (1787—1869) — чешский физиолог и психолог.
• [2] Цит. по: Cohen J. Visual color and color mixture: the fundamental color space. Chicago: University of Illinois Press, 2001.
• [3] См., например: Измайлов Ч. А., Соколов Е. //., Черпоризов А. М. Психофизиология цветового зрения. М.: Изд-во Моек, ун-та, 1989.
• [4] Железняков В. Н. Цвет и контраст. М.: Изд-во ВГИК, 2001.
• [5] Открыт немецкими учеными В. Бецольдом и Э. Брюкке в 1870-х гг.