Jak powstają kolory i dlaczego je widzimy? Modele barw oraz sposoby ich opisywania

Wiedząc, jak dużą rolę odgrywają kolory w życiu konsumenta i producenta, sprawdźmy jak one powstają, w jaki sposób można je wyrażać i oceniać.

Światło jako źródło barwy

Mówiąc o kolorach, nie sposób nie wspomnieć o świetle. To jedno z najważniejszych zagadnień, a jego znajomość pozwoli zrozumieć mechanizm powstawania koloru oraz znaleźć odpowiedź na pytanie, jak to się dzieje, że widzimy. Zacznijmy zatem od początku.

Natura światła przez wiele lat była tajemnicza i trudna do zrozumienia. Dziś już wiemy, że światło zachowuje się jednocześnie jak fala oraz jak strumień cząstek. To zjawisko nazywane jest dualizmem korpuskularno-falowym.

Fale elektromagnetyczne o długości w przedziale 380-780 nanometrów są nazywane światłem widzialnym. Białe światło powstaje po zmieszaniu pojedynczych siedmiu prostych barw, nazwanych kolorami podstawowymi. Po rozszczepieniu można je zaobserwować w postaci znanych powszechnie siedmiu kolorów tęczy. Zjawisko to pojawia się na niebie w słoneczne dni podczas deszczu.  Spadające krople wody działają jak pryzmat i rozszczepiają białe światło na jego składowe, czyli barwy. Każdy z siedmiu kolorów odpowiada określonemu zakresowi długości fali. Fala elektromagnetyczna o największej długości (635-770 nm) ma barwę czerwoną, natomiast najkrótsza – o długości 380-450 nm – jest odpowiedzialna za widzenie koloru fioletowego.

Poniżej przedstawiono podstawowe kolory, które widzimy. Jeśli fala ma długość pośrednią z dwóch sąsiadujących ze sobą zakresów, wówczas powstają kolory przejściowe.

Dlaczego widzimy kolory?

Wiedząc już, że określone długości fali elektromagnetycznej mają zdefiniowaną barwę, zastanówmy się, dlaczego widzimy kolorowe przedmioty.

Widzenie barwne wynika wprost z wrażliwości odpowiednich receptorów w oku na długość fal światła. Możemy zobaczyć kolory różnych przedmiotów (np. kredek lub kwiatów), ponieważ odbijają i pochłaniają promienie na nie padające. Przedmioty te nie świecą własnym światłem, ale absorbują określone długości fali elektromagnetycznej z zakresu światła widzialnego, odbijając pozostałe. Widzimy określony kolor, ponieważ do naszych oczu dociera część promieniowania odbita od powierzchni przedmiotu.

Dla lepszego zrozumienia tego mechanizmu najlepiej wyjaśnić go na przykładzie. Czerwone maki absorbują promienie elektromagnetyczne o wszystkich długościach fal oprócz tych, które odpowiadają czerwonemu kolorowi. Fale o tej właśnie długości są odbijane, powodując po dotarciu do oka widzenie koloru czerwonego. Gdy przedmiot ma białą barwę, oznacza to, że całe białe światło zostało od niego odbite. Czarne przedmioty natomiast absorbują wszystkie długości fali z zakresu widzialnego.

Fizjologia percepcji barw – jak to się dzieje, że widzimy?

Zjawisko pochłaniania i odbijania fal elektromagnetycznych, dzięki któremu widzimy otaczający nas świat w w kolorze, nie byłoby możliwe, gdyby nie oczy. Są one niezwykle czułymi narządami zmysłu wzroku, które uczestniczą w tworzeniu obrazów, potocznie zwanym widzeniem.

Aby dowiedzieć się dlaczego widzimy falę elektromagnetyczną jako kolor, należy przyjrzeć się budowie oka. Narząd wzroku wyposażony został w receptory światłoczułe, czyli pręciki i czopki. Komórki światłoczułe znajdują się w tylnej części gałki ocznej zwanej siatkówką. Pręciki są odpowiedzialne za dostrzeganie kształtu i ruchu. Są tak bardzo czułe, że mogą wychwycić nawet pojedynczy foton. Natomiast czopki odpowiadają za widzenie barw. W ludzkim oku występują trzy rodzaje czopków, które reagują na inne długości fal i w efekcie powodują  widzenie koloru czerwonego, niebieskiego i zielonego. Jeśli receptory zarejestrują fale o pośredniej długości, wówczas wszystkie trzy grupy czopków reagują na bodziec, powodując w mózgu powstanie wrażenia barwy pośredniej utworzonej z trzech barw podstawowych.

Mechanizm tworzenia obrazu

Światło widzialne to nic innego, jak fale elektromagnetyczne o długości w zakresie 380-780 nm. Światło padające na przedmiot zostaje częściowo przez niego zaadsorbowane, a częściowo odbite. Następnie fala elektromagnetyczna odbita od przedmiotu trafia do receptorów znajdujących się w oku, czyli czopków i pręcików w siatkówce, gdzie tworzony jest obraz pomniejszony i odwrócony. W kolejnym etapie receptory przekazują impuls do mózgu, w którym dane są interpretowane, a na ich podstawie wytwarzany jest obraz tego przedmiotu. Wszystko dzieje się niezwykle szybko, o czym możesz się przekonać rozglądając się wokoło. Kolory, które widzimy, są w błyskawicznym tempie rejestrowane i przetwarzane, tworząc obraz.

Niesamowity narząd zmysłu wzroku, jakim jest oko, rozróżnia ogromną liczbę barw. Według danych literaturowych jest ich aż kilkanaście milionów. Warto zauważyć, że barwa nie jest cechą światła, a jedynie wrażeniem, jakie wywołuje w mózgu fala elektromagnetyczna o określonej długości.

Widzenie barwy jest chwilowe i nie jest zapisywane w naszej pamięci. Z tego względu ponowne rozpoznanie tej samej barwy jest niezwykle trudne, ponieważ nie mamy wzorca, do którego można porównać kolor. Wiedząc, że widzenie kolorów jest subiektywne, należy pamiętać, że interpretacja barwy przez różnych obserwatorów może być niejednoznaczna i nieprecyzyjna.

Sposoby opisu i oceny koloru

Ludzkie oko nie potrafi w sposób obiektywny ocenić koloru, jednak istnieją aparaty, które precyzyjnie dokonują pomiaru barwy. Metody instrumentalne pozwalają zdefiniować kolor w postaci liczbowej w oparciu o znormalizowany rachunek za pomocą kolorymetrów lub spektrofotometrów . Matematyczny zapis barwy opracowany został przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (CIE) i jest zgodny z oceną wzrokową.

Barwę możemy opisać za pomocą trzech atrybutów, takich jak odcień, jasność oraz nasycenie.

• Odcień to cecha koloru zależna od promieniowania o określonej długości fali, jakie wychwytują receptory znajdujące się w oku. Wówczas widzimy konkretną barwę np. zieloną, czerwoną lub niebieską. Te z kolorów, które posiadają odcień, nazywane są chromatycznymi.
• Jasność lub inaczej mówiąc jaskrawość, to wrażliwość na natężenie promieniowania wywołującego powstawanie koloru. Miarą jasności barwy jest luminancja, która w świetle dziennym ma najwyższą wartość dla barwy żółto-zielonej o długości fali 555 nm, a nocą przy długości fali 510 nm odpowiadającą barwie niebiesko-zielonej.
• Nasycenie to zmieszanie barwy chromatycznej z białą, szarą lub czarną. Kolory pastelowe nazywane są nienasyconymi, ponieważ zawierają dużo barwy białej.

Przedstawione atrybuty barw są również znormalizowane systemem CIE, dzięki któremu można w pełni dokonać opisu barwy tymi trzema zmiennymi.

Tolerancja koloru

Biorąc pod uwagę fakt, że model idealnego dopasowania barw w skali przemysłowej jest niemożliwy do osiągnięcia, powszechną praktyką jest wyznaczanie zakresów tolerancji kolorów. Brak stuprocentowej zgodności koloru może wynikać z wielu przyczyn, między innymi z różnicy w dostawach surowców do produkcji, które były poddane barwieniu. Inną przyczyną jest zmiana barwy podczas procesów następczych w produkcji. Tak naprawdę każda partia wyrobów obarczona jest pewną odchyłką kolorystyczną. Zakres tego błędu to przedział, w którym barwa może być uznana za akceptowalną i niemalże zgodną z ustalonym wzorcem. Definicja akceptowalności barwy zazwyczaj ustalana jest indywidualnie między kontrahentami.

Model RGB

Kolejnym sposobem opisu barw jest model RGB. Jest to sposób wyrażenia przestrzeni barw w układzie współrzędnych, opisany skrótem RGB od angielskich nazw kolorów: R – red (czerwony), G – green (zielony), B – blue (niebieski). Opiera się on o wrażenie widzenia przez ludzkie oko dowolnej barwy, która powstaje w wyniku zmieszania trzech wiązek światła w tych kolorach w określonych proporcjach. Tylko ten model wyjaśnia, w jaki sposób powstaje wrażenie koloru w ludzkim mózgu. Niestety ma kilka wad – między innymi nie wyjaśnia, dlaczego po zmieszaniu jasnych kolorów nie powstaje kolor jaśniejszy lub czysta biel. Należy mieć na uwadze fakt, że model RGB jest tylko teoretyczny, a jego odwzorowanie zależy od urządzenia.

Model CMY lub CMYK

Istniejący model barw CMY w praktyce nie jest wystarczającą bazą do otrzymania wszystkich kolorów, jakie rozróżnia ludzkie oko. Zmieszanie ze sobą składowych modelu, czyli koloru niebieskiego (cyjan), czerwonego (magenta) i żółtego (yellow), nigdy nie da koloru czarnego. Z tego względu często mówi się o modelu CMYK, który jest dopełniony kolorem czarnym, zwanym K – key colour (główny kolor – czarny). Jest najczęściej stosowanym modelem barw do tworzenia wielokolorowych druków lub grafik komputerowych. Poszczególne barwy modelu CMYK można otrzymać poprzez połączenie czterech głównych kolorów, stosując odpowiednie ich proporcje.

Teoria kontra praktyka – opis i ocena koloru

Znając już najpopularniejsze modele oceny koloru, możnaby stwierdzić, że wystarczy zmieszać barwy z modelu RGB z barwami CMYK i w teorii powinniśmy uzyskać wszystkie możliwe kolory. Jednak się tak nie dzieje. Dlaczego? Ponieważ ludzkie oko nie reaguje liniowo, a barwniki oraz kolorowe materiały nie są idealne. Z tego względu w praktyce stosowane są różne metody tuszowania niedoskonałości. Sposoby równoważenia tych defektów określane są jako produkcja koloru i są to m.in. poligrafia, farbiarstwo przemysłowe czy produkcja kredek, farb i lakierów.

Okazuje się, że problemem nie jest wyprodukowanie określonego koloru, ale jego wyrażenie – jaki konkretnie powinien być. Jak zdefiniować i nazwać kolor, aby ta nazwa była zrozumiana przez wszystkich w ten sam sposób? To pytanie jeszcze nie ma odpowiedzi, ale być może w przyszłości zostanie opracowany uniwersalny system nazewnictwa barw, który rozwiąże ten problem.