|
|
"Świat Druku" - miesięcznik
Archiwum
Rok 2002
Kwiecień
Proces widzenia barwy określa jej pomiar. Część II
|
Podpatrywanie barwy
Drukarstwo, zwane czarną sztuką, w ciągu wieków przekształcało się w poligrafię. Tymczasem skomputeryzowana poligrafia, opierając się na teorii barwy, przemieniła się w krótkim czasie w poligrafię wielobarwną, stając się: wielobarwną sztuką mediów drukowanych.
|
Nawiązując do zaanonsowanego w pierwszej części artykułu („Świat Druku” nr 1/2002) trójstadialnego procesu widzenia barwy, trudno nie mieć wahań co do formy jego przedstawienia, biorąc pod uwagę zakres tematyki i nieuporządkowaną terminologię specjalistyczną. Aby jednak pytanie „jak ująć tę obszerną tematykę na kilku stronach?” nie było tylko pytaniem retorycznym, odpowiedzmy: przez podpatrywanie ważniejszych z wielu koncepcji, które uformowały teorię barw i które później legły u podstaw rozwoju poligrafii wielobarwnej.
A zatem, podpatrywanie barwy nie oznacza tu szermowania ogólnikami o barwie, a wręcz przeciwnie – wybiórczy opis istotnych czynników kształtujących sferę barw w odniesieniu do tworzenia wielobarwnego obrazu drukowanego.
Podkreślmy więc, że podstawowym zadaniem poligrafii wielobarwnej jest optymalne odtwarzanie barw oryginałów, projektów graficznych na odbitkach drukarskich. Jednakowoż optymalizacja, sensowne zarządzanie barwami w poligrafii nie może zachodzić w oderwaniu od naszego zmysłu wzroku, który definiuje barwę w funkcji naszego oka.
|
|
Rys. 13. Poglądowy przekrój oka
|
Percepcja barw w funkcji oka
Ponieważ budowa oka jest na ogół znana, zwróćmy uwagę przede wszystkim na jego funkcję w przetwarzaniu światła (bodźca barwowego), po wniknięciu do oka. Ciało szkliste (rys. 13), które wypełnia wnętrze oka, łącznie z soczewką załamują światło, ogniskując je jako obraz optyczny na siatkówce. Pobudzona światłem (impulsami świetlnymi) siatkówka przetwarza jego energię na impulsy nerwowe, które są przesyłane nerwem wzrokowym do mózgu. Jak widać na rys. 14, połowa impulsów nerwowych z dwojga oczu przechodzi poprzez skrzyżowanie do przeciwległych półkul mózgu, łącząc się w korze wzrokowej. Nawiasem mówiąc, oczy, które są połączone z mózgiem, stanowią najbardziej zewnętrzny fragment centralnego układu nerwowego.
Zasadniczymi elementami siatkówki oka są dwa rodzaje światłoczułych komórek (wypustek): czopki i pręciki, których dziwne nazwy wywodzą się od ich kształtów. Nie są one jednak osadzone w pierwszej warstwie siatkówki, ale w ostatniej – co przedstawia poglądowy rysunek 15. Zanim więc bodziec wzrokowy (barwowy) dotrze do światłoczułych wypustek, musi przejść przez kilka niemal przezroczystych warstw siatkówki. Stanowią one sieć drobniutkich naczyń krwionośnych i przezroczystych komórek nerwowych (neuronów): dwubiegunowych, poziomych i zwojowych. Impulsy z poszczególnych komórek są przewodzone włóknami nerwowymi poprzez łącza (synapsy) do komórek, neuronów zwojowych, które przewodzą je nerwem wzrokowym do mózgu. Łącza (synapsy) wyjaśniają m.in. wzajemne oddziaływanie barw, np. symultaniczny kontrast barw. Wynika z tego, że wzajemne oddziaływanie impulsów następuje częściowo już w siatkówce oka, a nie dopiero w mózgu, jak sugeruje trójchromatyczna teoria widzenia barwnego Younga-Helmholtza, omówiona niżej.
|
|
Rys. 14. Przedstawienie procesu widzenia barwnego w mózgu [3]
|
Siatkówka oka zawiera około 125 mln pręcików i około 7 mln czopków, zwanych ogólnie barwoczułymi receptorami światła. Mimo że pręciki mają znacznie większą światłoczułość niż czopki, nie mają jednak zdolności odróżniania barw chromatycznych. Reagują w zasadzie na niewielkie natężenie światła, takie jakie występuje w widzeniu nocnym i o zmierzchu. Tymczasem trzy rodzaje czopków o zróżnicowanej czułości w funkcji długości fali światła widzialnego, od ok. 380 do 780 nm, odróżniają barwy chromatyczne, ale przy większym natężeniu światła, tzn. zbliżonym do światła dziennego.
Czopki, w zależności od ich światłoczułych substancji, można podzielić na: czopki-cyjanolaby, wrażliwe na krótkofalowe promieniowanie świetlne; -chlorolaby, czułe na promieniowanie w zakresie średniej długości fal świetlnych i -etyrolaby, wrażliwe głównie na promieniowanie długofalowe, pomijając relatywną ich czułość, widoczną na rys. 16. Można więc powiedzieć, że te trzy analizatory światła określają widzenie trójchromatyczne, tworząc w addytywnej syntezie miliony różnych barw.
W ocenie i pomiarze barw trzeba wziąć pod uwagę to, że w siatkówce oka zarówno pręciki, jak i czopki nie są rozmieszczone równomiernie, a w zagłębieniu tarczy nerwu wzrokowego (plamka ślepa) nie występują w ogóle (rys. 17).
Układ optyczny oka ustawia się jednak samoczynnie tak, aby główna cześć obrazu skupiała się na plamce żółtej. Plamka żółta wyróżnia się największą zdolnością rozróżniania barw i szczegółów obrazu, np. w zakresie kąta widzenia 1-2o rozróżnia 50-70 linii na 1o. Jednak i w plamce żółtej czopki nie są rozmieszczone równomiernie. W centrum jej dołka, czyli w środku plamki żółtej znajdują się wyłącznie czopki, których ilość, gęstość zmniejsza się na rzecz pręcików w miarę zwiększenia kąta widzenia, pola widzenia. W zależności zatem od kąta widzenia obraz optyczny rzutowany na plamkę żółtą obejmie mniejszą lub większą jej powierzchnię, wywołując nieco odmienne postrzeganie barw.
|
|
Rys. 15. Fragment siatkówki oka obrazujący mechanizm przetwarzania bodźca wzrokowego (barwowego) w impulsy nerwowe przesyłane do kory mózgowej [3]
|
Zależność ta została oczywiście uwzględniona w barwometrii. Stąd w poligrafii spotykamy się z dwoma układami trójchromatycznymi (kolorymetrycznymi). Pierwszy – to układ trójchromatyczny normalny CIE 1931 – 2o, zwany w skrócie obserwatorem normalnym lub obserwatorem standardowym – 2o, lub po prostu małym polem pomiaru, czy – widzenia. Ponieważ kąt widzenia obserwatora standardowego (2o) jest na ogół mniejszy od kąta, pod jakim są zazwyczaj obserwowane powierzchnie barwne, wprowadzono drugi układ trójchromatyczny – CIE 1964 o kącie widzenia 10o. W instrukcjach obsługi przyrządów pomiarowych czy w oprogramowaniach spektrofotometrów występuje on jako obserwator dodatkowy (10o) lub obserwator standardowy dodatkowy (100), lub duże pole pomiaru, czy – widzenia.
W każdym razie wyznaczone wielkości z pomiaru barwy w różnych polach widzenia nie mogą być ze sobą porównywane i dlatego należy ten fakt wyraźnie zaznaczać, np. w założeniach jakościowych w zakresie dopuszczalnej tolerancji barw nadruków między odbitkami. Ogólnie przyjęto, że składowych trójchromatycznych X,Y,Z mierzonych w małym polu widzenia (2o) nie oznacza się żadnymi indeksami, znakami pomocniczymi stosowanymi w matematyce do rozróżniania parametrów. Natomiast jeśli barwa była lub ma być mierzona w dużym polu widzenia (10o), trzeba to koniecznie zaznaczyć dolnym indeksem, mianowicie: X10, Y10, Z10. W zależności bowiem od kąta widzenia składowe trójchromatyczne widmowe przyjmują różne wartości (rys. 18). Wprowadziły one do barwometrii dwa nieco różniące się wykresy (diagramy) chromatyczności: dla kąta widzenia 2o – (x,y) CIE 1931 i kąta widzenia 10o – (x10, y10) CIE 1964 (rys. 19). Podkreślmy także, że wartości składowych trójchromatycznych również są zależne od źródeł światła (iluminantów CIE), np. D65, D50.
Trójskładnikowa teoria widzenia barwnego
Na początku zwróćmy uwagę, że dwa światła (promieniowania widzialne) o różnym składzie widmowym mogą wywołać takie samo wrażenie barwy. Na przykład promieniowanie lampy sodowej skupione w jednym prążku o długości fali ok. 589,3 nm wywołuje takie samo wrażenie barwy jak światło żarówki przepuszczone przez filtr żółty, mimo że jego ciągłe widmo, w zakresie od około 500 nm do 700 nm, obejmuje promieniowanie zielone, żółte, pomarańczowe i czerwone. Oznacza to, że oko, z jego trzema barwoczułymi receptorami, interpretuje widmowy skład światła w swoisty sposób i że liczba wrażeń barwnych, ogólnie biorąc, jest mniejsza niż liczba możliwych widmowych składów promieniowania widzialnego.
|
|
Rys. 16. Wrażliwość widmowa substancji światłoczułych w czopkach
|
Taki opis widzenia barwnego nie byłby jednak akceptowany przed XIX w. W owych bowiem latach uważano powszechnie, że różnorodność barw jest związana z naturą światła, jego składem widmowym czy różnym jego kątem załamania, a nie z barwoczułością czopków siatkówki oka. Pogląd ten uległ zmianie, acz nie od razu, dopiero w wyniku postawienia przez T. Younga (1801) hipotezy, potwierdzonej pół wieku później przez J. C. von Helmholtza (1852) – z tego powodu teoria ta nosi nazwę: trójskładnikowa teoria widzenia barwnego Younga-Helmholtza. Zakłada ona, że w naszym oku znajdują się trzy rodzaje barwoczułych komórek (czopków), które reagują w różnym stopniu na trzy światła podstawowe: czerwone, zielone i niebieskie (fioletowoniebieskie) i że wszystkie wrażenia barwne powstają wskutek wspólnego wysyłania z tych trzech receptorów impulsów świetlnych do mózgu. Teoria ta zmieniła gruntownie wcześniejsze założenia do procesu widzenia barwnego, wprowadzając fizjologiczny mechanizm wartościowania składu światła przez oko.
Trójstadialny proces widzenia barwnego
Nawiązując do pierwszej części artykułu przypomnijmy sobie, że barwa nie jest wielkością fizyczną, jak np. objętość bryły, masa czy długość, lecz wrażeniem zmysłowym, podobnie jak dźwięk, zapach, smak itd. Czynnikiem warunkującym postrzeganie barwy jest zawsze światło (promieniowanie widzialne), zwane w barwometrii bodźcem barwowym, który, po wniknięciu do oka (narządu wzroku), wywołuje w aspekcie fizjologii i psychologii wrażenie barwne. A zatem barwa jest nierozerwalnie związana ze światłem. Trudno byłoby zakładać, że na wrażenie barwne (wrażenie zmysłowe) generowane w mózgu nie wpływają i inne, niewzrokowe oddziaływania, np. oddziaływania psychiczne: depresja, doznania w przeszłości, pamięć barw itp.
Ważne jest również to, że wrażenie barwy w normalnym polu widzenia jest bardziej złożone niż w polu fotometrycznym, w którym barwa powierzchni jest oceniana jako barwa swobodna. Na przykład oceniając w polu fotometrycznym jakąś barwę w oderwaniu od tła i rysunku nie ulegamy sugestii, że jest to barwa żółta, bo jest barwą cytryny itp.
|
|
Rys. 17. Plamka ślepa siatkówki oka, w której tworzy się nerw wzrokowy
|
Pozwala to podzielić proces widzenia barwy na trzy umowne fazy, które można by nazwać trójstadialnym procesem widzenia barwnego. Ponieważ zagadnienie to nie jest w naszej literaturze przedmiotu akcentowane, warto powołać się na wybitnego barwometryka prof. dr. K. Schläpfera, który ujął ten proces lakonicznie w tabeli 1. [1]
Aby nie wdawać się w dyskusję nad polskimi odpowiednikami pojęcia barwy walencyjnej (od niem. Farbvalenz), proponuje się przyjąć je jako pojęcie wzbogacające naszą terminologię specjalistyczną, barwometryczną. Tak więc dla lepszego zrozumienia niuansów trójstadialnego procesu widzenia używa się tu pojęć wymienionych w tabeli.
Przykład różnicy między barwą walencyjną a wrażeniem barwy zilustrowano na rys. 20. Przedstawia on w otoczeniu dwóch różnych barw dwa pierścienie o identycznej barwie walencyjnej, mające takie same wartości składowych trójchromatycznych. Mimo to, jak widać, różnią się one między sobą. Oznacza to, że identyczne barwy walencyjne, w zależności od barw je otaczających, wywołują inne wrażenia barw. Można więc z tego przykładu wysnuć wniosek, że teoria Younga-Helmholtza – zasadzająca się na trzech barwoczułych receptorach: czerwieni, zieleni i niebieskiej – mówi o barwach walencyjnych, a nie o wrażeniach barwnych.
Nawiązując do przetwarzania światła w oku, można by funkcje trzech barwoczułych receptorów przyrównać do trzech analizatorów światła o różnej czułości widmowej, które stosownie do bodźców tworzą ostatecznie tylko trzy sygnały. W rezultacie tego, jak wspomniano wyżej, nie w każdym wypadku różny skład widmowy światła (bodźca barwowego) musi wywoływać inną barwę walencyjną. Należy więc odróżnić promieniowanie świetlne od jego oddziaływania, które w funkcji percepcji barwy w oku wywołuje barwę walencyjną, przechodzącą później jakby we wrażenie barwne. A więc nie można utożsamiać bodźca barwowego z barwą walencyjną, tak jak barwy walencyjnej z wrażeniem barwy, które jest właściwym wrażeniem zmysłowym generowanym w mózgu. Tak więc i w tym wypadku takie same barwy walencyjne nie muszą koniecznie wywoływać takich samych wrażeń barwnych.
Jak zaznaczono w tabeli 1, tylko bodziec barwowy jako promieniowanie widzialne może być definiowany wielkościami fizycznymi. Natomiast barwę walencyjną można opisać ilościowo liczbami jedynie wtedy, jeśli weźmie się pod uwagę równocześnie funkcję naszego oka. Wrażenia barwnego nie można, jak dotąd, opisać żadnymi wielkościami liczbowymi. Dowodzi to, że barwometria zajmuje się barwami walencyjnymi, a nie wrażeniami barwnymi.
Teoria przeciwstawnych barw pierwotnych E. Heringa
Wprowadzeniem do tej teorii może być to, że większość osób jako barwy podstawowe wymienia nie trzy, a cztery barwy, tj. poza czerwoną, zieloną i niebieską także żółtą, mimo że receptor żółty nie występuje w naszej siatkówce oka. W literaturze przedmiotu barwy: żółtą, czerwoną, niebieską i zieloną wymienia się jako barwy pierwotne, a pary barw: czerwone-zielone i niebieskie-żółte – jako przeciwstawne. Nikt zresztą nie powie, że w danej barwie jednocześnie występuje odcień czerwony i zielony lub niebieski i żółty.
Kto wie, czy ta właśnie właściwość naszego zmysłu wzroku nie legła u podstaw badań fizjologa Ewalda Heringa (1834-1918), który rozwinął teorię Younga-Helmholtza, tworząc tzw. teorię przeciwstawnych barw pierwotnych. Prawdę mówiąc, wymieniona tu teoria występuje w literaturze specjalistycznej, i to nie tylko polskiej, również pod innymi nazwami, np. jako teoria przeciwstawnych barw, antagonistyczna teoria postrzegania barw itp. W każdym razie chodzi tu o alternatywne postrzeganie barw.
|
|
Rys. 18. Zestawienie składowych trójchromatycznych widmowych CIE dla pola widzenia 20 (plamki czarne) i pola widzenia 100 (kółeczka białe)
|
Trzecią wielkością, jaką wprowadził E. Hering do swojej teorii, jest alternatywność czerni i bieli. Teoria ta tłumaczy transformację barwy walencyjnej symbolizowanej przez sygnały: czerwone, zielone i niebieskie (RGB), na wrażenie barwne (rys. 21). Z przedstawionego schematu wynika, że suma RGB tworzy jasność, zaś sygnały, bodźce R-G, G-B i B-R, tworzą poprzez różny udział barw antagonistycznych R-G i B-G odcień i nasycenie barwy, a wspólnie z jasnością – wrażenie barwne generowane w mózgu.
Z teorii Heringa wynika, że percepcja barwy następuje przez udział bodźców, barw przeciwstawnych czerwonej-zielonej i niebieskiej-żółtej oraz bieli-czerni, co wyraża w innym ujęciu zgodność z trójskładnikową teorią widzenia barwnego Younga-Helmholtza. Pozwala to określić barwę walencyjną także alternatywnie przez udział w niej barwy czerwonej lub zielonej, albo niebieskiej lub żółtej, albo jednocześnie przez udział barwy:
• czerwonej i niebieskiej
• czerwonej i żółtej
• zielonej i żółtej
• zielonej i niebieskiej.
Na postawie tej teorii zostały uporządkowane m.in. barwy w najpopularniejszej w poligrafii przestrzeni barw, jaką jest percepcyjna przestrzeń barw CIE LAB (rys. 22), niezależna od urządzeń wejścia i wyjścia.
Literatura
1. K. Schläpfer, Farbmetrik in der Reproduktionstechnik und im Mehrfarbendruck, UGRA 1993
2. S. Radomski, Barwometria przepustką do współczesnej poligrafii, Kołobrzeskie Dni Poligrafii 2001, materiały konferencyjne
3. Tajniki ludzkiego umysłu, Przegląd Reader’s Digest, Warszawa 1997
4. S. Radomski, Możliwości densytometru a spektrofotometru w kontrolowaniu procesu drukowania, Sympozjum WSiP i Heidelberg Polska, Warszawa 2001, materiały konferencyjne
5. Barwa i jakość, Wyd. Heidelberg Polska, Warszawa 1999
6. G. Hewit, Fizyka wokół nas, Wyd. PWN, Warszawa 2001
Stanisław Radomski
dyplomowany rzeczoznawca
doradca ds. poligrafii
|
|
Rys. 19. Zestawienie wykresów chromatyczności (x,y) CIE 1931 (linie i plamki czarne) i (x10, y10) CIE 1964 (linie i plamki czerwone)
|
|
|
Rys. 20. Różne wrażenia barwne pierścieni zielonych, w zależności od barw je otaczających
|
|
|
Rys. 21. Transformacja sygnałów R,G,B – z receptorów oka na wrażenie barwne, generowane w mózgu
|
|
|
Rys. 22. Uporządkowane barwy powierzchni o jasności L* = 50 w przestrzeni barw CIE LAB
|
|
|
|
|
