Teorie barevného vidění

Svět kolem nás vnímáme mimo jiné zrakem. Čočka v lidském oku, podobně jako čočka v objektivu fotoaparátu, láme světlo (čili elektromagnetické vlny) a vytváří na obraz na světlocitlivém prvku – v případě oka na sítnici, ve fotoaparátu na filmu.

Náš seriál o barevných procesech bohužel nezačne příliš populárně, ale bez teoretického základu barevného vidění a reprodukce se prostě neobejdeme. Berte tento díl třeba jako nutné zlo, ale kdo nepochopí principy skládání barev, nemůže udělat dobrou barevnou zvětšeninu.

Sítnice lidského oka je citlivá na elektromagnetické vlny o vlnové délce zhruba 400 – 700 nm (1 nm = 10E-9 m). Tuto oblast vlnových délek nazýváme viditelná oblast elektromagnetického spektra. Vyšší frekvence (čili kratší vlnové délky) nazýváme ultrafialové záření, nižší frekvence (a delší vlnové délky) je tzv. infračervené záření. Ve všech třech jmenovaných oblastech lze pořizovat klasické halogenidostříbrné fotografie.

Obrázek č. 1: Elektromagnetické spektrum

Již dávno zjistili fyzikové Young a Helmholtz, že lidské oko skládá barevný obraz se tří dílčích podnětů. Později Maxwell (v roce 1861) usoudil, že každý barevný obraz lze složit ze tří jednobarevných dílčích obrazů – tzv. výtažků. Toto složení je umožněno tím, že lidské oko obsahuje tři druhy barevných receptorů, které jsou citlivé v oblastech zhruba 400 – 500, 500 – 600 a 600 – 700 nm. Bude-li na sítnici dopadat záření s vlnovou délkou např. 450 nm, bude podrážděn první typ receptorů, a budeme mít vjem modré barvy. Záření s vlnovou délkou 550 nm podráždí druhý typ receptorů, a způsobí vjem zelené barvy. Záření s vlnovou délkou 650 nm podráždí třetí typ receptorů a získáme tak vjem červené barvy.

Další zajímavou vlastností oka je skutečnost, že spektrální citlivosti receptorů se překrývají. Pokud tedy budeme receptory dráždit hraniční vlnovou délkou 500 nm, získáme odezvu jak z modrocitlivých, tak i ze zelenocitlivých receptorů, a získáme vjem azurové barvy. Při dráždění vlnovou délkou 600 nm získáme odezvu ze zelenocitlivých a červenocitlivých receptorů a vidíme žlutou. Při současném dráždění modrocitlivých a červenocitlivých receptorů získáme vjem purpurové barvy. Teď už je snadné zodpovědět kontrolní otázku: “Proč není v duze obsažena purpurová barva?”

Obrázek č. 2: Barevné vjemy způsobené jednotlivými vlnovými délkami

Protože tedy lidské oko obsahuje tři druhy receptorů, můžeme libovolnou barvu vytvořit kombinací tří základních barev. Pojem barva jsme doposud používali pro pojmenování výsledného vjemu. V reálném světě můžeme barvu vytvořit dvěma způsoby:

• Vyrobíme barevné světlo, tedy světlo, které obsahuje různé vlnové délky o různých intenzitách. Zvláštním případem takového barevného světla je monochromatické světlo, které obsahuje pouze jednu vlnovou délku. Vezmeme-li tři zdroje světla v úzkých intervalech příhodných vlnových délek, (barvy červená, zelená a modrá – RGB), můžeme těmito světly přímo dráždit příslušné receptory a namíchat tak libovolný barevný vjem. Protože takto barvy skládáme z jednotlivých příspěvků, říkáme tomuto systému aditivní.

Obrázek č. 3: Aditivní skládání barev

• Použijeme barevné pigmenty (nerozpustné látky) nebo barviva (rozpustná), na které posvítíme bílým světlem. V bílém světle jsou všechny vlnové délky zastoupeny rovnoměrně, bílé světlo dráždí všechny tři druhy receptoru stejně intenzivně. Po dopadu na barevný pigment (nebo barvivo) jsou některé vlnové délky selektivně absorbovány a barevný zbytek světla se odráží (resp. prochází).Vezmeme-li pigment, který selektivně absorbuje v oblasti 400 – 500 nm a posvítíme na něj bílým světlem, odrazí se světlo v rozsahu 500 – 700 nm. Přídavkem takovéhoto pigmentu tedy můžeme řídit intenzitu vjemu modrocitlivých senzorů. Pigment se ovšem bude jevit žlutý, protože podle výše popsaného aditivního principu odražené světlo obsahuje zelenou a červenou část spektra a budí tak žlutý vjem! Toto je důležitá a poněkud paradoxní vlastnost pigmentů a barviv, kterou si musíme uvědomit.

  Obrázek č. 4: Selektivní absorpce na žlutém pigmentu

  Podobně můžeme vzít pigment, který absorbuje v oblasti 500 – 600 nm. Po osvícení bílým světlem odrazí vlnové délky 400 – 500 a 600 – 700. Bude se jevit purpurový, to ale proto, že jeho přídavkem jsme potlačili dráždění zelenocitlivých senzorů. S pomocí pigmentů tedy odečítáme jednotlivé barvy ze spektra, a proto mluvíme o subtraktivním míchání barev. Pigmenty je možno vzájemně mísit, a tak absorbovat větší podíl dopadajícího světla.

Obrázek č. 5: Subtraktivní skládání barev

Při vzájemném míšení světel nebo pigmentů může nastat situace, kdy je výsledná barva “nebarevná” – získáme určitý odstín šedé, černou nebo bílou. Takové barvy se nazývají doplňkové a jsou to konkrétně tyto dvojice: červená + azurová (R + (G+B)), zelená + purpurová (G + (R+B), modrá + žlutá (B + (R+G)).

Třísložkové barevné vidění má ještě jeden zajímavý důsledek – tzv. barevnou metamerii. To znamená, že dva pigmenty s různými průběhy absorpčních křivek mohou způsobit totožný barevný vjem. Na obrázku č. 6 je naznačeno, jak třísložkové barevné materiály reprodukují šedou barvu. Reálná šedá (např. standardní expozimetrická tabulka) pohlcuje část dopadajícího světla rovnoměrně v celé viditelné oblasti. Třísložková reprodukce takovéto tabulky naproti tomu pohlcuje světlo jen v klíčových oblastech, které odpovídají spektrálním citlivostem, jednotlivých typů senzorů lidského oka. Přestože má tedy reprodukce naprosto odlišnou absorpční křivku od originálu, lidské oko žádný rozdíl nepozná.

Obrázek č. 6: Dvě různé spektrální distribuce způsobí totožný barevný vjem

Barevné fotografické materiály mohou principiálně využívat jak aditivního, tak subtraktivního míchání barev. Aditivní barevné systémy mají však pouze historický význam. Např. systém Autochrome používal černobílou inverzní desku, na kterou byla nanesena vrstva škrobových zrnek zbarvených v základních aditivních barvách RGB – barevný rastr. Desky se zakládaly do aparátů tak, aby rastr směřoval k objektivu, takže pod červeným škrobovým zrnek se exponoval jen červený výtažek, pod modrým modrý výtažek atd. Po černobílém inverzním vyvolání není pod osvitnutým červeným zrnem žádné stříbro, a proto projde bílé světlo, které to samé škrobové zrnko obarví na červeno. Takto zhotovené diapozitivy měly dobré barevné podání, ale byly celkově velmi tmavé, protože i ta nejsvětlejší místa propouštěla pouze třetinu světla.

Obrázek č. 7: Princip systému Autochrome

Všechny moderní barevné materiály pracují na subtraktivním principu, čili v různým poměrech mísí barviva, která selektivně absorbují modré, zelené a červené světlo, a tak lépe využívají světelnou energii. Těmto materiálům se budeme věnovat v dalších dílech a příště nás čeká princip barevného negativu.