1.2. Смешение цветов (окрашенных световых потоков)

(Речь идет о смешении излучений, но не красок (т. е. оптическом смешении). Последнее только иногда дает результаты, сходные со смешением цветных излучений. Например, при смешении пигментов, имеющих чистые цвета, с пигментом белого цвета можно аналогично смешению спектральных цветов с белым получить разные степени чистоты данного цвета, начиная от той, которую имеет цветная краска в чистом виде, до нуля. Однако, вообще говоря, цвет смеси красок совсем не тот, что у смеси цветов. Характерный тому пример: смесь всех красок палитры отнюдь не дает белый цвет, а будет выглядеть черной или грязно-красно-оранжевого цвета. Аналогично смесь красной краски с фиолетовой вместо пурпурного дает очень темный, буровато-фиолетовый цвет.)

При проектировании осветительной установки и цветового оформления помещений, а иногда и оборудования приходится предсказывать результаты смешения окрашенных световых потоков. Различные цветовые ощущения соответствуют световым потокам разного спектрального состава. Однако ощущение одного и того же цвета может возникнуть и при различных спектральных составах излучения. Следовательно, цвет не характеризуется однозначно спектральным составом. Ощущение белого цвета может возникнуть в том случае, если в глаз попадает световой поток приблизительно одинаковой мощности всех участков видимого спектра, а также при смешении трех основных взаимонезависимых спектральных цветов.

Из сказанного следует, что использовать спектральный состав излучения для выражения цветов довольно затруднительно. Более удобным является другой способ определения цветов, широко применяемый на практике. Этот способ - трехцветное выражение цветов - опирается на широко известный факт, что любой цвет может быть получен при смешении в различных пропорциях только трех надлежащим образом подобранных цветов, называемых основными.

Мы редко видим отдельные монохроматические лучи. Их можно наблюдать в спектральных приборах, в специальных газоразрядных трубках, на радуге и т. д. Обычно в наш глаз поступает лучистый поток смешанного состава, содержащий много длин волн разных цветов спектра. Однако это разнообразие длин волн зрением не констатируется. Все упавшие на глаз электромагнитные колебания видимой части спектра смешиваются, сливаются, и глаз воспринимает некоторый единый цвет, в котором отдельные слагаемые этого цвета никак не выделяются. При смешении в глазу нескольких цветов мы воспринимаем некоторый новый цвет. Определением цвета, получающегося путем смешения нескольких других цветов, занимается цветоведение¹.

¹ (Вообще цветоведение охватывает широкий круг вопросов, включающих в себя разделы физики, светотехники, физиологии, и тесно связано с эстетикой, искусством, а также рядом отраслей техники.)

Если источник света с заданным распределением энергии излучения освещает неселективную поверхность и свет, отражаясь от нее, попадает в глаз, при этом не происходит изменение в относительном спектральном распределении энергии. Если на поверхность попадает одновременно два или более цветных световых потоков, либо если источник света освещает несколько селективных поверхностей, то световые потоки, отражаясь от них, действуют независимо и глаз воспринимает их сумму.

При определении результирующего цвета после смешения нескольких окрашенных световых потоков следует четко различать тип смешения этих цветов. Так, если смешаем несколько цветных световых потоков (рис. 1.5, а), например красный и зеленый, то получим желтый свет, при смешении зеленого и синего - голубой, синего и красного - пурпурный, синего, зеленого и красного в определенной пропорции - белый свет. В этом случае мы получаем слагательное (аддитивное) смешение, ибо световые потоки складываются между собой и образуют результирующий цвет.

Рис. 1.5. Схема получения результирующего цвета при смешении нескольких: а - окрашенных световых потоков; б - красок

Можно считать, что яркость результирующего цвета равна сумме яркостей слагаемых цветов

Аддитивное смешение цветов можно получить, наблюдая с некоторого расстояния поверхность, покрытую цветными пятнами, полосками различного цвета, точками (которые сливаются на расстоянии). Смешение цветов на расстоянии называют пространственным смешением. При этом яркость результирующего цвета можно выразить

где S₁ и S₂ - площадь, занимаемая одним и другим цветом.

Если перед проекционным фонарем, который излучает белый свет, поместить цветные фильтры, результат смешения получается другой. Например, световые потоки, прошедшие фиолетовый и желтый фильтры, на белом экране дают красный свет, а желтый и зеленовато-голубой фильтры - зеленый. Каждый фильтр, помещенный перед фонарем, задерживает свою часть спектра белого света и поэтому на экране складываются потоки, прошедшие все фильтры. Если перед фонарем поставить три фильтра - голубой, зеленый и красный, то на экране будет темно, света не будет. Такое смешение окрашенных световых потоков называется избирательным (вычитательным или субтрактивным) смешением, ибо каждый фильтр поглощает свою часть спектра. В данном случае яркость результирующего цвета определяется как разность яркостей белого излучения L_бел и цветов, задержанных фильтрами,

При смешении красок (рис. 1.5, б) происходит избирательное смешение, так как одна краска гасит другую. Например, смесь голубой и желтой красок дает зеленый цвет или, если на красную стену направить зеленый свет, в этом случае происходит избирательное смешение. Красная стена отражает только красный свет, а при облучении такой стены зеленым светом она не отражает света и кажется черной. Факторы смешения цветов следует учитывать при цветовом оформлении.

Сложим два чистых спектральных цвета, допустим, оранжевый и синий. Практически это можно осуществить, например, проектируя на белый экран соответствующие этим цветам участки спектра. Когда яркость (количество) синего цвета во много раз превзойдет яркость оранжевого, то и смесь двух цветов на экране будет выглядеть синей. Будем постепенно увеличивать количество (яркость) оранжевого цвета. Опыт показывает, что смесь будет восприниматься сначала фиолетовой, затем пурпурной, красной и, наконец, оранжевой. Как бы мы ни комбинировали количество синего и оранжевого цветов, получить от их смешения какие-либо другие цвета, кроме упомянутых (например, желтый или зеленый), мы не сможем.

На цветовом круге (см. рис. 1.2) можно увидеть, что все цвета, которые были получены в результате смешения синего и оранжевого, лежат между смешиваемыми цветами на короткой части окружности. Цвета, которые лежат между теми же смешиваемыми цветами, но на длинной части окружности, не могут быть получены в результате смешения этой пары цветов.

Возьмем два цвета, расположенные на цветовом круге диаметрально противоположно, например, синий и желтый. Смешивая эти два цвета в различных пропорциях, можно получить синие и желтые цвета различной чистоты, а при определенном соотношении яркостей смешиваемых цветов результирующим будет цвет ахроматический. Аналогичный результат дадут все пары цветов, расположенные на противоположных концах любого диаметра круга. Такие цвета называют дополнительными, они как бы дополняют друг друга до белого. Естественно, что для получения чисто белого цвета дополнительные цвета надо брать в строго фиксированных количествах, определяемых яркостью того и другого цвета.

Исследование и подбор взаимно дополнительных спектральных цветов проводились много раз. На рис. 1.6 [21] приведена средняя кривая, подводящая итог полученным результатам. Для того чтобы по ней найти длину волны λ₂ цвета, дополнительного к данному цвету λ₁ надо восстановить перпендикуляр к оси абсцисс от значения λ₁ и через точку его пересечения с кривой (белого цвета) провести горизонтальную прямую до оси ординат. Пересечение этой прямой с осью ординат и укажет искомое значение λ₂.

Кривая на рис. 1.6 для участка спектра, заключенного между длинами волн 493 и 567 нм, т. е. от синего до желто-зеленого, не дает никаких значений дополнительных цветов. Так получается потому, что на цветовом круге против этих цветов лежат пурпурные цвета, которые и будут для них дополнительными. Это позволяет установить единицу насыщенности для пурпурных цветов. Последняя принимается равной насыщенности того дополнительного цвета, который, имея такую же яркость, дает чисто белую смесь с данным пурпурным цветом.

Рис. 1.6. График дополнительных цветов

Смешивая различные пары чистых (недополнительных) цветов, можно установить, что результирующий цвет получается тем чище, чем ближе смешиваемые цвета расположены друг к другу. Из пары - красный и фиолетовый - получаются чистые пурпурные, а из пары - желтый и фиолетовый - оранжевые, красные и пурпурные весьма низкой чистоты. Точки, соответствующие результирующим цветам, располагаются на хордах цветового круга, соединяющих два смешиваемых цвета. Чем длиннее хорда, т. е. чем ближе она проходит к центру круга, тем меньше чистота цветов, на ней расположенных. Наконец, когда хорда превратится в диаметр, смешиваемые цвета будут являться дополнительными, а в результате их смешения может быть получен ахроматический цвет.

В общем случае при смешении двух каких угодно цветов возникает третий цвет, изображенный точкой A (см. рис. 1.2), на прямой, соединяющей точки I и II смешиваемых цветов. Расположение точки A определяется следующим образом: если один из смешиваемых световых потоков имеет три единицы, а вторая - одну единицу, то точка смеси будет лежать на ¹/₄ расстояния от точки, соответствующей большей интенсивности, и на ³/₄ от точки, относящейся к меньшей интенсивности. Другими словами, положение точки на прямой обратно пропорционально интенсивности двух световых потоков.

Одинаковые по виду, но различные по составу цвета, будучи смешаны с другим цветом, дают смесь в соответствии с этими цветами. Например, если смешать с фиолетовым цветом сначала спектральный оранжевый цвет, а потом оранжевый, который сам получен смешением красного с желтым (и, значит, оранжевых спектральных лучей совсем не содержит), то смесь оба раза получится совершенно одинаковой (бледно-пурпурной). Таким образом, в результате смешения двух цветов может быть получено большое количество других цветов, но отнюдь не все существующие цвета, поскольку при таком смешении результирующий цвет располагается на цветовом круге только на линии, соединяющей смешиваемые цвета.

Для того чтобы путем смешения можно было получить любой цвет, необходимо и достаточно прибавить к произвольно выбранным двум основным цветам третий. При этом в числе выбранных основных цветов не должно быть дополнительных или взаимозависимых, т. е. ни один из них не должен являться результатом смешения двух других. Этому условию удовлетворяет, например, точка III (см. рис. 1.2) на цветовом круге. Смешивая цвета, характеризуемые точками I, II и III, можно получить все цвета, лежащие в треугольнике с вершинами I, II и III. Чем чище цвета, принятые за основные, тем больше треугольник I, II, III. Но даже в случае, когда точки I, II и III соответствуют чистым цветам, т. е. располагаются на окружности, в результате смешения основных цветов можно получить только цвета с меньшей чистотой, хотя и любого цветового тона.

Результаты проведенных исследований по оптическому смешению цветов позволили установить ряд законов. Основные из них следующие:

глаз может регистрировать лишь три вида различий цвета, выражаемых, например, различием цветового тона, насыщенности и яркости;

если в смеси трех цветов один из них непрерывно изменяется (в то время как два других остаются неизменными), цвет смеси также изменяется непрерывно;

одинаковые по виду, но различные по спектральному составу цвета, будучи смешаны с другим цветом, дают смесь того же цвета. Это означает, что мы можем оперировать с цветами, не учитывая их спектральный состав.

Из последнего закона можно сделать следующие выводы:

если цвет а одинаков с цветом b, а цвет c с d, то цвет смеси a+c одинаков по цвету со смесью b+d. Это правило аналогично арифметической аксиоме: если равные величины складываются с равными, то и результаты сложений равны;

если цвет a одинаков с цветом b, a цвет смеси с уравнен по цвету со смесью d, то после вычитания a из смеси c цвет остатка будет тот же, что и после вычитания цвета b из смеси d. Это правило также аналогично арифметической аксиоме: когда равные величины вычитаются из равных, результаты вычитания равны между собой;

если одна единица светового потока имеет тот же цвет, что и одна единица другого светового потока, то цвет любого числа единиц (или любой доли единицы) первого потока одинаков с цветом такого же числа единиц (или такой же доли единиц) второго. Это правило также аналогично арифметической аксиоме: если одинаковые величины умножаются (или делятся) на одно и то же число, результаты всегда одинаковы.

Из сказанного ранее можно сделать еще два вывода:

для каждого спектрального цвета, кроме участка спектра, заключенного между 493 и 567 нм, можно подобрать такой другой спектральный цвет (дополнительный), расположенный на противоположном конце диаметра цветового круга, в смеси с которым он дает белый. Естественно, что для получения чисто белого цвета их надо брать в строго определенных количествах, определяемых яркостью того и другого цвета;

смесь двух цветов, отстоящих на цветовом круге друг от друга менее чем на 180°, имеет какой-либо цвет, расположенный на этой части круга. При этом чистота цвета смеси обычно меньше, чем у соответствующего спектрального цвета. Чистота смеси тем ниже, чем дальше отстоят смешиваемые цвета друг от друга.

Результаты смешения двух различных цветов приведены в табл. 1.5 [21].

Таблица 1.5. Видимый цвет смесей