Elementy teorii koloru. Widzenie barwne (cz. 1.)

 Niniejszy artykuł jest pierwszym cyklu opracowań pod wspólnym tytułem „Widzenie barwne”.

Opracowanie, które oddajemy do rąk (dla oczu) Czytelnika, rozpoczyna zaprojektowany na cztery części cykl. Pomysł serii narodził się po opublikowaniu przez dr Martę P. Wiącek artykułu zaburzeniach widzenia barwnego znanych malarzy [6].

niniejszej pracy postaramy się przybliżyć podstawowe problemy teorii koloru odpowiedzieć na pytania, czy pojęcia barwy koloru oznaczają to samo, także na czym polega percepcja barwy i w jaki sposób je rozróżniamy. Drugi odcinek będzie poświęcony fizjologii widzenia barwnego rodzajom jego zaburzeń, trzeci – metodom badania tych nieprawidłowości, zaś czwartej części przedstawimy wybrane aspekty kliniczne związane widzeniem barwnym. Czytelnik będzie mógł wykorzystać przekazaną naszym cyklu wiedzę, konfrontując ją innym spojrzeniem na tę tematykę, które zaprezentuje rozpoczynająca się równocześnie seria artykułów poświęconych „odkrywaniu magii kolorów umiejętności wykorzystywania ich podkreślaniu urody osobowości”. Musimy pamiętać, że praktyczne znaczenie widzenia barwnego – oprócz oczywistego waloru poznawania świata całej jego różnorodności, jest ważne odbiorze dzieł sztuki, wielu dziedzinach działalności zawodowej i w licznych branżach przemysłu, tym związanych jakością życia estetyką. Nie są to zatem kwestie obojętne dla optyka okularowego czy optometrysty.

Teoria koloru to interdyscyplinarny dział wiedzy zajmujący się powstawaniem człowieka wrażeń barwnych oraz teoretycznymi praktycznymi aspektami czynników zewnętrznych biorących udział procesie powstawania tych wrażeń.

Wyrazy „kolor” „barwa” są języku polskim synonimami. Określenie „kolor” pochodzi łaciny – color, „barwa”, jak twierdzą językoznawcy, stanowi przetworzenie słowa „farba”. Jednak np. poligrafii upowszechnia się rozróżnienie na barwę (to konkretne wrażenie wzrokowe) kolor (np. farba określonym kolorze, która po nałożeniu na różne podłoża może dać efekt widzenia różnej barwy). Także malarstwie używa się rozróżnienia pojęciowego: kolor jest cechą „materii” farby, także wtedy, gdy jest ona już położona na obrazie, barwa zaś jest rozumiana jako zjawisko psychofizyczne związane ze zdolnością do widzenia (Wikipedia, tekst na licencji CC-BY-SA).

Widzenie barw to subiektywne wrażenie psychiczne powstające mózgu człowieka [1-5], także części zwierząt. fizyce mamy jedynie do czynienia pewnym zakresem promieniowania elektromagnetycznego (ryc. 1), które wyniku emisji bądź odbicia dociera do odbiorcy najczęściej postaci mieszaniny fal różnych częstotliwościach. Jednak obserwator może odczuwać tę samą barwę poprzez odbiór wielu różnych kombinacji ilościowych fal różnych częstotliwościach, odwrotnie: ta sama mieszanina fal może obserwatora wywołać odmienne wrażenia kolorystyczne zależności od wielu czynników dodatkowych, takich jak np. rodzaj oświetlenia czy obecność innych kolorów polu widzenia. Chociaż konkretny kolor można zmierzyć danych warunkach za pomocą odpowiednich urządzeń (np. spektrofotometrem) przedstawić postaci liczbowej, umieszczając ją określonej przestrzeni barw (tą tematyką zajmuje się fizyce kolorymetria), to żaden pomiar nie jest jednak stanie oddać subiektywnego odczucia barwy przez układ wzrokowy człowieka.

Ryc. 1. Widmo światła białego [3,4]

szerszym znaczeniu barwa jest całościowym pojęciem dotyczącym odbioru opisywanych wrażeń, węższym zaś jest jakościowym określeniem odbieranego światła zwanym walorem barwy (czyli porównaniem do najbliższej wrażeniowo barwy prostej), wtórują temu pojęcia jasności barwy (czyli udziału ilości światła pochodzącego danej barwy stosunku do ogółu bieżących warunków oświetleniowych), oraz nasycenia barwy (czyli udziału achromatyczności danej barwie).

Jak wiemy, nauką badającą wywoływanie wrażeń barwnych oraz sposób ich odbioru jest teoria koloru – połączenie wybranych zagadnień zakresu fizyki, biologii, medycyny oraz psychologii (Wikipedia, tekst na licencji CC-BY-SA).

Ważnym pojęciem teorii koloru jest przestrzeń barw – widma fal elektromagnetycznych zakresu od 380–780 nm (czyli światła), których matematyczne modele są przedstawiane trójwymiarowej przestrzeni barw. Dzięki tym modelom barwę można opisać nie tylko przez podanie jej widma, ale przez modele różnym stopniu zbliżone do ludzkiej percepcji barwy, związanej fizjologią oka ludzkiego, szczególnie występowaniem siatkówce trzech rodzajów czopków. Najważniejsze przestrzenie barw ujęto normach międzynarodowych. Stosuje się je różnych dziedzinach przemysłu (farbiarskim, tekstylnym, spożywczym, fotograficznym), poligrafii, od niedawna także kosmetologii, fryzjerstwie oraz optyce okularowej.

Istnieją różne modele przestrzeni barw, między innymi CIEXYZ, zwana też CIE1931 – przestrzeń barw stworzona 1931 r. przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (Comission Internationale de l’Eclairage). Przyjmuje się ją jako standard punkt odniesienia do innych przestrzeni barw utworzonych przez tę komisję. CIE XYZ jest specjalną paletą barw, skonstruowaną przede wszystkim pod kątem postrzegania barw przez ludzkie oko. Barwę sposób jednoznaczny opisuje się we współrzędnych trójchromatycznych X, Y, Z, które odpowiadają procentowemu udziałowi trzech podstawowych barw R (czerwonej),
G (zielonej) B (niebieskiej).

CIE XYZ jest opisem trójwymiarowym. Również 1931 r., żeby umożliwić opis dwóch wymiarach, wprowadzono przestrzeń barw CIE xyY, która przelicza składowe barw X, Y, na współrzędne trójchromatyczne x, y, Y, gdzie x y określają chromatyczność, Y – jasność.

Współrzędne te, nakładając się, odwzorowywane są przestrzeni barw przedstawionej za pomocą wykresu chromatyczności (ryc. 2) jako tzw. trójkąt barw: obszar zamknięty dwiema liniami – krzywą barw czystych, prostych (występujących widmie światła białego) prostą (są to purpury – efekt zmieszania czerwieni fioletu) [3], (Wikipedia, tekst na licencji CC-BY-SA).

Ryc. 2. Wykres chromatyczności (Standard CIE1931), objaśnienia tekście: By Eondax – Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=29913310.

Odpowiedzieliśmy zatem na pierwsze pytanie, które zwykle przychodzi na myśl: „Jaki to kolor?”. Drugie pytanie, które możemy zadać, biorąc pod uwagę dwa kolory, brzmi: „Jak różne są te dwa kolory?”. Tutaj potrzebnego wsparcia empirycznego dostarczyły przede wszystkim eksperymenty Davida MacAdama, oparte na metodzie subiektywnej oceny różnicy barw dwóch oświetlanych pól, przy stałej luminancji wynoszącej około 48 cd/m2. Pomiary były wykonane 25 punktach na diagramie chromatyczności CIExy 1931. Otrzymano 25 eliptycznych obszarów zawierających wszystkie kolory, które są nie do odróżnienia dla przeciętnego ludzkiego oka od koloru centrum elipsy. Kontur elipsy reprezentuje zatem tylko zauważalne różnice chromatyczności. Elipsy MacAdama otrzymane dla jednego uczestników testu (dla przejrzystości dziesięć razy większe od ich rzeczywistej wielkości) przedstawiono na ryc. 3 [3], (Wikipedia, tekst na licencji CC-BY-SA).

Ryc. 3. Elipsy MacAdama, objaśnienia tekście: CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=173591.

Dodajmy na koniec, że według Le Granda Y. [3] przeciętne oko ludzkie może odróżnić na wykresie chromatyczności do 15000 odcieni, tym 250 wzdłuż krzywej barw widmowych 150 wzdłuż prostej purpur, zaś minimalna różnica progowa (próg kontrastu barwy) wynosi 1 nm.

Czytelnika zainteresowanego historią poglądów na temat istoty widzenia barwnego odsyłamy do ciekawej prezentacji dr. hab. inż. Władysława Artura Woźniaka [7]. Autor przedstawia niej zarówno poglądy intuicyjne (m.in. Demokryt, Platon, Arystoteles), jak empiryczne (m.in. Alhazen (965–1038), nazywany ojcem optyki geometrycznej, Sir Izaak Newton (1642–1727), Thomas Young (1773–1829), Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832), Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1749–1832), James Clerk Maxwell (1831–1879).


Piśmiennictwo:

1. Cameron J.R., Skofronick J.G., Grant R.M. (1992) Eye and Vision, in.: Physics of the Body. Medical Physics Publishing.

2. Kędzia B. (1977) Zmysł wzroku, w: Podstawy biofizyki, red. Pilawski A. PZWL, Warszawa.

3. Le Grand Y. (1964) Oczy widzenie. PWN, Warszawa.

4. Lindsay P.H., Norman D.A. (1984) Procesy przetwarzania informacji człowieka. PWN, Warszawa.

5. Styszyński A. (2020) Widzimy mózgiem. Optyk Polski 53, Feniks Media Group, Kraków.

6. Wiącek M.P. (2020) Zaburzenia widzenia barwnego malarzy. Optyk Polski 57, Feniks Media Group, Kraków.

7. Woźniak W.A. (2012) Kolorymetria widzenie barwne. www.if.pwr.edu.pl/~wozniak/kolorymetria_pliki/…

Barwa – Wikipedia, wolna encyklopedia

Przestrzeń barw – Wikipedia, wolna encyklopedia

https://pl.wikipedia.org/wiki/Teoria_koloru


Dr Krzysztof Penkala

Instytut Fizyki, Uniwersytet Szczeciński, Zakład Fizyki Medycznej, Pomorski Uniwersytet Medyczny (PUM) Szczecinie,

Pracownia Elektrofizjologii Siatkówki, Dróg Wzrokowych Perymetrii, II Katedra Klinika Okulistyki PUM

Polecamy