|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2002
Listopad
Addytywne a subtraktywne mieszanie barw. Część I
|
Podstawowe informacje
Celem poligrafii barwnej jest właściwie wierne odtwarzanie barwności oryginałów na rastrowych odbitkach drukarskich. Nie sposób jednak sensownie zarządzać barwami, jeśli nie pozna się wcześniej mechanizmu mieszania barw, tak jak niepodobna go opisać nie poznawszy kilku ważniejszych terminów z tej dziedziny wiedzy.
|
W poligrafii barwnej na drodze od oryginału do odbitki drukarskiej występują: addytywne, subtraktywne i autotypijne (addytywno-subtraktywne) mieszanie barw. Mówią one w zasadzie o trzech zjawiskach optycznych, które wywołują odmienne wrażenia barwne. Efekty tych procesów mieszania barw różnią się między sobą na ogół jaskrawością i czystością barw. Jest to szczególnie widoczne podczas porównywania barw utworzonych na ekranie monitora - w addytywnym mieszaniu barw (RGB), z barwami odtworzonymi na rastrowej odbitce drukarskiej - w autotypijnym mieszaniu barw, np. w CMYK. Na tę różnicę wpływają również inne czynniki, jak.: optyczne właściwości barw farb drukarskich czy papieru, technologie drukowania czy temperatury barwowe źródeł światła, w jakich barwy są oceniane, itp.
Aby tej istotnej dla poligrafii kwestii nie sprowadzić do kilku sloganowych zdań lub artykułu szermującego ogólnikami, przedstawiono poniżej kilka ważniejszych terminów - z natury rzeczy w odautorskiej interpretacji. Opisują one zarówno mechanizm mieszania barw, jak i procesy tworzenia barw w poligrafii, opierające się, w dużej mierze, na nauce o barwie, którą można chyba już nazwać - barwologią (barwologia = barwa + gr. lógos ‘nauka’).
Kilka ważniejszych terminów
Jak łatwo zauważyć, barwa jest rozpatrywana wieloaspektowo. Występuje więc ona w różnych działach nauki, takich jak np.: fizyka, chemia, biologia, fizjologia, psychologia, w których używa się, co zrozumiałe, swoistej terminologii. Podobnie zresztą jak w poligrafii, toteż niektóre ogólne pojęcia są objaśniane terminami barwometrycznymi, często stosowanymi w poligrafii barwnej. Inną kwestią jest to, że nie wszystkie terminy w danym języku mają swoje odpowiedniki leksykalne w innych. Na przykład terminy występujące w literaturze niemieckiej: barwa walencyjna i bodziec barwowy, nie są odróżniane w literaturze angielskiej (ang. colour stimulus).
Barwa
Najogólniej biorąc, barwę określa zespół wrażeń związanych z działaniem światła widzialnego na oko. A nieco dokładniej - wrażenie psychofizyczne odczuwane w funkcji zmysłu wzroku pod wpływem światła (promieniowania widzialnego) o określonym składzie widmowym. Jak widać, pojęcie: „barwa” jest dość skomplikowane, toteż fazy tworzenia barw przedstawiono poniżej w oddzielnym rozdziale: „Od światła do wrażenia barwy”.
Barwy chromatyczne i achromatyczne
Wszystkie barwy dzielą się zasadniczo na chromatyczne, np.: czerwone, zielone, fioletowe, brązowe itp., i achromatyczne: białe, szare, czarne. Na przykład barwy achromatyczne o różnych stopniach szarości występują w poligrafii jako wielostopniowe skale szarości. Natomiast wrażenia barwne są charakteryzowane trzema cechami: odcieniem, nasyceniem i jaskrawością (jasnością), o których niżej - „Atrybuty wrażeń barwnych”.
|
|
Rys. 1. Widmo światła białego dzielone tradycyjnie na siedem barw prostych
|
Barwy widmowe i proste
Są to barwy wywołane promieniowaniem nie dającym się roz-szczepić, np. barwy monochromatyczne. W barwometrii określa się je długością fali światła. W widmie światła białego wyróżnia się tradycyjnie siedem barw prostych: czerwoną, pomarańczową, żółtą, zieloną, niebieską, błękitną (indygo), i fioletową (rys. 1). Charakteryzują się one dużą czystością, a więc i nasyceniem.
Barwy dopełniające addytywne
Są to dwie barwy chromatyczne, które w addytywnym mieszaniu przy określonej proporcji tworzą wrażenie barwy białej.
Pierwotne i wtórne źródła światła
Do naszego oka może wnikać promieniowanie widzialne:
• bezpośrednio - z pierwotnego źródła światła, z którego emisja światła zachodzi wskutek przemiany energii, np. Słońce, żarówka, itp.
• lub pośrednio - z wtórnego źródła światła, które jedynie reemituje światło padające na obiekt wskutek: odbicia od powierzchni, np. od warstwy farby, przepuszczenia przez ciało, np. barwny filtr, i rozproszenia w różnych substancjach.
Barwy niezależne i zależne
Barwy, których wrażenia zostały wywołane promieniowaniem z pierwotnego źródła światła, wnikającym bezpośrednio do naszego oka, określa się jako barwy niezależne lub samoistne, lub samoświecące. Barwa samoistna to barwa postrzegana jako należąca do powierzchni, widziana w oderwaniu od wszystkich barw sąsiednich. W mieszaniu addytywnym stosuje się najczęściej barwy niezależne, samoświecące. Natomiast barwy wywołane (pośrednio) w funkcji światła oświetlającego dany obiekt zwane są barwami zależnymi lub niesamoistnymi, lub nieświecącymi. Inaczej mówiąc, są to barwy postrzegane jako należące do powierzchni, która odbija lub przepuszcza światło w sposób rozproszony, tworząc wtórne źródło światła. Barwa niesamoistna mówi o jednoczesnym postrzeganiu ocenianej barwy z innymi barwami z nią sąsiadującymi.
Addytywne mieszanie bodźców barwowych
Jest to pobudzenie, które kumuluje w siatkówce oka działania różnych bodźców barwowych w taki sposób, że bodźce te nie mogą być postrzegane oddzielnie.
Barwa swobodna
Jest to zwykle barwa jednorodna postrzegana w otworze, który eliminuje oddziaływanie na nią innych barw. Pozwala to z łatwością odróżniać atrybuty wrażeń barwnych, o których niżej. Dodajmy na marginesie, że ocenianie barw jako barw swobodnych, acz być może bezwiednie, jest w praktyce często stosowane przez drukarzy, np. podczas porównywania barwy nadruku z barwą wzorcową za pomocą, tzw. okienek, czyli szarych kartek z otworami o średnicy ok. 1 cm.
Barwa postrzegana
Przez barwę postrzeganą rozumie się tu właściwość percepcji wzrokowej, która opisuje cechy barw chromatycznych i achromatycznych.
|
|
Rys. 2. Rozmieszczenie atrybutów wrażeń barwnych w przestrzeni barw (Y,x,y)
|
Atrybuty wrażeń barwnych
Preferowana tutaj zbiorowa nazwa wrażeń barwnych: odcień, nasycenie i jaskrawość (jasność) ułatwi zapewne odróżnianie tych właściwości od innych cech barw. Na ogół przez wymienione wyżej atrybuty rozumie się klasyczną charakterystykę wrażeń barwnych - aczkolwiek nie zawsze. W niektórych bowiem obcojęzycznych publikacjach przedmiotu cechy te uważa się za właściwość percepcji wzrokowej. W każdym razie te trzy atrybuty różnicują każdą barwę według naszej intuicyjnej, wrodzonej zdolności (rys. 2). Ponieważ w szerokim polu widzenia najczęściej występują również inne barwy czy barwne przedmioty, zaleca się oceniać te barwy w małym polu widzenia jako barwy swobodne. Wtedy z łatwością można się przekonać, iż te trzy cechy są nieodzowne i wystarczające do dokładnego ich opisania.
Odcień barwy (ang. hue; niem. Buntton, wcześniej Farbton), np. żółty, zielony, fioletowy, jest cechą jakościową barw chromatycznych. Odróżnia ona barwy chromatyczne od barw achromatycznych, które, podkreślmy, nie wykazują odcienia, a więc i nasycenia. Nazwy odcieni zazwyczaj były tworzone w konwencji analogii do ciał, przedmiotów, powierzchni czy charakterystycznego rozpraszania światła. Widać to szczególnie w tradycyjnych nazwach odcieni. Ponieważ tylko odcienie są cechami jakościowymi barw chromatycznych, to, jak można się domyślić, nadały one swoje nazwy barwom chromatycznym jako ich, rzec można, nazwy główne. I tak od pomarańczy - odcień pomarańczowy, a więc i barwa pomarańczowa, od cytryny - odcień cytrynowy i barwa cytrynowa, od nieba - odcień niebieski i barwa niebieska, od czerwi - odcień czerwony i barwa czerwona itd. Oznacza to, że barwa, np. zielona, to barwa o odcieniu zielonym, tak jak barwa żółta - o odcieniu żółtym itp. Natomiast w określeniu np. „barwa jasnozielona” są już zawarte dwa atrybuty barwy: odcień i jasność. Informują one, że jest to barwa o odcieniu zielonym i dużej jasności.
|
|
Rys. 3. Progi różnicy odcieni w funkcji promieniowania widmowego
|
Zauważmy, że zmiany odcieni barw stają się widoczne dopiero po przekroczeniu pewnej granicznej wartości, w tym wypadku długości fali. Najmniejszą różnicę wrażenia spowodowanego zmianą długości fali promieniowania widmowego nazywa się: progiem różnicy odcieni (rys. 3).
W barwometrii odcień barwy jest określany długością fali dominującej (ld) lub dopełniającej (lc) - dla barw purpurowych, które nie występują w widmie światła białego.
Odcień współokreśla również chromat (ang. chroma, niem. Bunt-heit) barwy, który charakteryzuje stopień barwności (inaczej chromatyczność) z uwzględnieniem jaskrawości (jasności) barwy. W barwometrii chromat jest najczęściej określany przez metryczną chromę.
(Pojęcie chromatu wprowadził do polskiej terminologii przedwcześnie zmarły wybitny barwolog doc. dr Leon Kwaśnik (IPPW), który, notabene obok prof. dr. hab. inż. Andrzeja Makowskiego (PW) był recenzentem, konsultantem moich pierwszych książek popularnonaukowych w tej dziedzinie. W każdym razie nie sposób przecenić, jak i zapomnieć jego wkładu w rozwój rodzimej nauki o barwie i jej popularyzowania głównie wśród studentów Instytutu Poligrafii PW. Niech więc tych kilka zdań, za zgodą redakcji, będzie jakąś formą podziękowania dla Niego, boć jak inaczej wyrazić o Nim pamięć).
Nasycenie barwy (ang. saturation, niem. Sättigung) określa stopień czystości barwy w porównaniu do barwy achromatycznej o takiej samej jaskrawości (jasności). Ogólnie, przez nasycenie rozumie się czystość, intensywność barwy. Na przykład w przeciwieństwie do barw widmowych czy barw farb drukarskich, barwy farb akwarelowych wykazują małe nasycenia itp. Nasycenie barw w addytywnym mieszaniu maleje wraz z dodaniem światła białego - np. czerwień krwista, czerwona, różowa. Natomiast takie barwy, jak: granatowa, oliwkowa, brunatna, wykazujące małe nasycenia i jasności, występują jedynie jako barwy powierzchni, np. barwne nadruki.
W barwometrii nasycenie barw można wyznaczyć czystością barwometryczną (kolorymetryczną) pc bądź czystością pobudzenia pe.
Jaskrawość (jasność) barwy jest cechą ilościową wszystkich wrażeń barwnych, w tym jedyną cechą barw achromatycznych. Nie zagłębiając się w szczegóły postrzegania jaskrawości można powiedzieć, że jaskrawość (ang. brightness, niem. Helligkeit) określa barwy niezależne, zaś jasność (ang. lightness, niem. Hellbezugs-wert) - barwy zależne jako barwy powierzchni.
W barwometrii miarą jaskrawości barw niezależnych (pierwotnych źródeł światła) jest luminancja świetlna, natomiast barw zależnych (wtórnych źródeł światła), np. barw powierzchni - współczynnik luminancji świetlnej. Wyrażany jest on stosunkiem luminancji świetlnej powierzchni mierzonej do luminancji świetlnej rozpraszacza doskonałego.
Wynika z tego, że wszystkie wrażenia barwne można określić trzema ich atrybutami, mianowicie:
• barwy chromatyczne jednocześnie: odcieniem, nasyceniem i jaskrawością (jasnością)
• barwy achromatyczne jaskrawością (jasnością), bowiem ich odcienie i nasycenia równe są, powiedzmy - zeru.
|
|
Rys. 4. Trzy fazy tworzenia wrażenia barwy w trzech możliwych wariantach. Promieniowanie z pierwotnego źródła światła trafia wprost do oka (A), przechodzi przez obiekt (B), odbija się od powierzchni (C) 1 - pierwotne źródła światła, 2 - filtr optyczny czerwony, 3 - oko, 4 - nadruk żółty, 5 - nerw wzrokowy, 6 - mózg
|
Od światła do wrażenia barwy
Ponieważ poznanie procesu widzenia barwy jest istotne dla zrozumienia tak pojęcia barwy, jak mieszania barw czy poligrafii barwnej, został on tu podzielony na umowne trzy fazy, z podkreśleniem dziedzin nauki zajmujących się nimi. Przedstawiono je również na poglądowym rys. 4, specjalnie w tym celu opracowanym.
Przedstawia on w trzech fazach tworzenie wrażenia barwy w trzech możliwych wariantach, a mianowicie: w funkcji pierwotnego źródła światła istnieją trzy możliwości tworzenia bodźców barwowych (I faza) pobudzających bezpośrednio siatkówkę oka (II faza), w którym powstałe impulsy nerwowe są przesyłane nerwem wzrokowym do mózgu, ściślej, pola projekcyjnego kory mózgowej, generującej wrażenie barwy (III faza).
I faza, fizyka - tworzenie bodźca barwowego
Pierwsza faza obejmuje: źródła światła, promieniowania widzialne i bodźce barwowe, przed ich wniknięciem do oka.
Światło widzialne to elektro-magnetyczne promieniowanie widzialne mające zdolność pobudzenia światłoczułych receptorów (pręcików i czopków), rozmieszczonych w siatkówce naszego oka. Stanowi ono w całym widmie promieniowania elektromagnetycznego niewielką jego część w zakresie długości fali od 380 nm do 780 nm (1 nm = 1 nanometr = 10 -9 m).
|
|
Rys. 5. Statystyczne zmiany przepuszczalności światła przez soczewkę oka w funkcji długości fali w trzech grupach wiekowych (wg Y. Le Granda)
|
W literaturze, i to nie tylko popularnej, zakresy światła widzialnego bądź widma światła białego są przedstawiane często w granicach: 400-700 nm. Wydaje się, iż ten węższy zakres światła nie ma w zasadzie większego znaczenia w popularyzowaniu wiedzy z tej dziedziny. Czułość bowiem receptorów barw na światło w jego obu krańcach jest niewielka, a ponadto zakres światła widzialnego jest zależny również od indywidualnych czułości siatkówki oka, stanu zdrowia obserwatora, zmieniającej się zdolności przepuszczania światła przez soczewkę oka w miarę starzenia się człowieka (rys. 5) itp.
Pominąwszy tutaj rozważania, np. na temat dualizmu falowo-korpuskularnego światła bądź różnicy między optyką klasyczną i kwantową itp., które notabene były niedawno omówione w „ŚD”, wspomnijmy ogólnie, że promieniowanie elektromagnetyczne mówi w zasadzie o emisji i transmisji energii świetlnej w funkcji długości fali. Tak więc jego względny widmowy rozkład energii S(l) jest wyznaczany w funkcji długości fali (l). (rys. 6).
|
|
Rys. 6. Względny widmowy rozkład energii świetlnej iluminantów CIE (A, C, D65) w funkcji długości fali światła widzialnego
|
Bodziec barwowy
W mieszaniu barw ważną rolę odgrywa bodziec barwowy. Określa on tu promieniowanie widzialne wnikające do oka, które w funkcji czułości trzech receptorów barw (czopków) wywołuje wrażenie barwy chromatycznej lub achromatycznej.
Tworzenie bodźców barwowych
• następuje bezpośrednio, jeśli promieniowanie pierwotnego źródła światła wnika wprost do naszego oka. Wtedy w barwometrii bodziec barwowy jl jest zgodny z względnym rozkładem widmowym energii promieniowania Sl, a więc: jl = Sl.
• albo pośrednio, kiedy promieniowanie z pierwotnego źródła światła przechodzi poprzez barwne ciało do oka. Wówczas funkcję bodźca barwowego jl wyznacza zależność: jl = Sl · tl, gdzie tl - widmowy współczynnik przepuszczania światła, a gdy promieniowanie z pierwotnego źródła światła trafia do naszego oka dopiero po jego rozproszonym odbiciu od powierzchni oświetlonej, wtedy funkcja bodźca barwowego (rys. 7) jest zawarta w iloczynie jl = Sl · bl, gdzie bl - widmowy współczynnik luminancji. Jest on wyrażany stosunkiem luminancji świetlnej ciała do luminancji świetlnej rozpraszacza doskonałego. Zależność tę stosuje się powszechnie w densytometrii, chociaż obecnie zaleca się stosowanie współczynnika odbicia r czy widmowego współczynnika odbicia rl - stosunek strumienia energetycznego lub świetlnego odbitego do padającego.
Oznacza to, że I faza obejmuje środowisko zewnętrzne i zajmuje się wyłącznie wielkościami fizycznymi, które podlegają pomiarowi według praw fizyki.
|
|
Rys. 7. Tworzenie funkcji bodźca barwowego (c) w pomiarze spektrofotometrycznym, a) iluminant CIE, b) widmowe współczynniki luminancji
|
II faza, fizjologia - barwa walencyjna
Po wniknięciu bodźca barwowego do oka, jego skład widmowy zostaje poddany analizie, w skomplikowanym procesie biochemicznym i bioelektrycznym, przez światłoczułe receptory (pręciki i czopki), nierównomiernie rozmieszczone w siatkówce oka. W odróżnieniu od pręcików (około 125 mln), czułych na cały zakres widma światła przy niewielkim natężeniu światła, trzy rodzaje czopków (około 7 mln) wykazują w widzeniu dziennym (fotopowym) różne czułości w trzech przedziałach widma światła widzialnego: długofalowego wywołującego wrażenie czerwieni, średniofalowego - zieleni i krótkofalowego - barwy niebieskiej (zielononiebieskiej). Stąd można ogólnie powiedzieć, że w funkcji redukcji szerszych czułości czopków na światło widzialne są one wrażliwe na barwy: czerwone (R), zielone (G) i niebieskie (B), w rozumieniu barw wywołanych. Zwane są one często receptorami barw oka (RGB).
W oku w funkcji tych receptorów barw jako fizjologicznego swoistego wartościowania energii bodźców barwowych następuje wzrokowa percepcja barwy, którą proponowano już wcześniej uszczegółowić terminem: barwa walencyjna (od. niem. Farbvalenz), zwłaszcza w barwometrii. Mimo że barwa ta nie jest wielkością fizyczną, można ją opisać liczbowo, jeżeli uwzględni się trzy funkcje czułości trzech rodzajów czopków na światło widzialne. Bodziec barwowy jest bowiem analizowany oddzielnie przez każdą z tych trzech funkcji czułości, które można by nazwać składowymi. Ważne jest to, że tworzą one wspólnie jedną barwę walencyjną, a opisują ją trzema właśnie składowymi. Umożliwia to wyznaczanie każdej barwy w trójwymiarowej przestrzeni barw.
Tę hipotezę, opartą na fizjologicznym działaniu trzech odmiennych grup receptorów (czopków), postawili w XIX wieku T. Young i J.C. von Helmholtz. Nawiasem mówiąc, prowadzone w ostatnim półwieczu badania nad odmiennością biochemicznych substancji światłoczułych zawartych w czopkach dowiodły, iż ta hipoteza nie kłóci się z innymi. Wcześniej uważano powszechnie, że wielość postrzeganych barw jest związana tylko z naturą światła, a nie z siatkówką oka.
Kontynuując tę wypowiedź, zaznaczmy, że czopki analizują widmowy skład bodźców barwowych w swoisty sposób i nie mają na szczęście zdolności odróżniania w prosty sposób, tak jak przyrządy pomiarowe, widmowych składów bodźców barwowych. Oznacza to, że liczba możliwych wrażeń barwnych jest znacznie mniejsza niż liczba możliwych składów widmowych, gdyż niektóre barwy mogą być tworzone w funkcji bodźców barwowych o różnych składach widmowych. Na przykład takie samo wrażenie barwy może być wywołane przez dwa promieniowania monochromatyczne, jak i przez wiązkę światła o wielu długościach fali. Na tym zresztą fenomenie zasadza się addytywne mieszanie barw, które umożliwia odtworzenie różnych barw za pomocą jedynie trzech strumieni świetlnych, np.: czerwonych (R), zielonych (G) i niebieskich (B). Właśnie te barwy (RGB) zostały przyjęte jako barwy podstawowe addytywnego mieszania barw. Z tym zjawiskiem notabene spotykamy się codziennie podczas oglądania barwnego obrazu na ekranu TV.
III faza, psychologia - wrażenia barwy
Po fizjologicznej analizie bodźców barwowych przez trzy rodzaje czopków barwoczułych (nazwa ta jest uproszczeniem językowym) powstałe impulsy nerwowe są przesyłane przez nerw wzrokowy do kory mózgowej, w której, tzw. polu projekcyjnym są generowane wrażenia barwne.
Prawie wszystko, co wiemy o postrzeganiu barw, sprowadza się poza światłem do fizjologicznej zdolności analizowania bodźców barwowych, ich energii, w oku. Niewiele bowiem jeszcze wiemy o oddziaływaniu innych czynników na impulsy nerwowe w drodze do kory mózgowej, jak np.: stanu psychicznego obserwatora, kojarzenia barwy z barwami przedmiotu, pamięci barw, symultanicznej kontrastowości barw itp. Te subiektywne odczucia barw nie pozwalają, jak dotąd, zmierzyć wrażenia barwy tak, jak barwy walencyjnej. Trudno zresztą byłoby przypuszczać, że nasz fenomenalny mózg połączony z oczami mógłby być jedynie biernym, prostym rejestratorem widmowego składu światła, bez możliwości oddziaływania na przesyłane do niego impulsy nerwowe. Na zakończenie zaznaczmy, że zależnościami między bodźcami barwowymi i wrażeniami barw zajmuje się psychofizyka, dział psychologii.
Miejmy nadzieję, iż omówione powyżej zagadnienia w aspekcie procesu widzenia barwnego i terminów ułatwią później poznanie nie tylko zjawiska mieszania barw, lecz także ich oddziaływania w procesie odtwarzania barwności oryginału za pomocą rastrowej odbitki drukarskiej.
Stanisław Radomski
dyplomowany rzeczoznawca ds. poligrafii
|
|
|
|
