Skládání barev

Světlo je elektromagnetické záření, které je člověk schopen vnímat zrakem. Jeho vlnové délky jsou 390 nm až 760 nm. Každé vlnové délce světla odpovídá jiná barva. Světlo, které je složené ze všech vlnových délek, vnímáme jako bílé. Můžeme se o tom přesvědčit tím, že rozložíme bíle světlo zpět na složky pomocí hranolu nebo mřížky. Vnímání barev není vůbec jednoduchou záležitostí, neboť závisí na lidském oku. Lidské oko je velmi složitý orgán a všechny mechanizmy vidění nejsou dosud dokonale prozkoumány. Podívejme se tedy trochu na to, jak oko funguje.

Lidské oko

Z biologie víme, že oko má několik částí (viz obr. 1. 44 A). Světlo nejdříve prochází rohovkou, kde se světlo nejvíce láme, potom pokračuje přes komorovou vodu a čočku do sklivce a pak dopadá na sítnici. Tato stavba je podobná konstrukci objektivu fotoaparátu. Před čočkou je i duhovka, která má úplně stejnou funkci jako clona. Vnímání obrazu umožňuje sítnice, která je vlastí světlocitlivou vrstvou oka. Zajímavé je, že světlocitlivé receptory nejsou na přední straně, ale než na ně světlo dopadne, musí nejdříve projít přes několik vrstev buněk (viz obr. 1. 44 B). V sítnici jsou dva druhy na světlo citlivých receptorů, tyčinky a čípky. Tyčinky jsou využívány k vidění za šera, kdy nerozlišujeme barvy, zatímco čípky jsou receptory zodpovědné za barevné vidění. Zastoupení těchto receptorů v sítnici není rovnoměrné. Tyčinek je asi 120 milionů, čípků asi 7 milionů. Místem nejostřejšího vidění je žlutá skvrna, kde se vyskytují jen čípky. Dále od této skvrny čípků ubývá a převažují zde naopak tyčinky. Čípky tady vidíme ve středu zorného pole a tyčinkami na jeho okraji. Naopak existuje i místo, kde se nenachází žádné světločivné buňky, tím je tzv. slepá skvrna, zde vychází z oka zrakový nerv. Receptory nejsou připojeny přímo ke zrakovému nervu, ale některé jsou vzájemně propojeny. Už zde tedy dochází k částečnému zpracování obrazu.

Obr. 1 A - průřez lidským okem, B - průřez sítnicí [15]

Tyčinky jsou mnohem citlivější než čípky. To znamená, že jim stačí mnohem méně světla na jejich podráždění. Proto při nedostatečném osvětlení vnímáme barvy špatně a nebo vidíme jen černobíle. Jak se můžete přesvědčit pokusem s dírkovou komorou nebo pokud přejdete ze světla do tmavé místnosti, nejdříve neuvidíte nic a až po chvíli se rozkoukáte a už vidíte dobře ale ne barevně. Pokud jste delší dobu v šeru, oko si dokáže zvýšit množství pigmentu v tyčinkách, a tak zvýšit jejich citlivost. Tyčinky jsou navíc citlivější na kratší vlnové délky, zatímco čípky na delší vlnové délky (viz graf 1. 1). Tyčinky nejsou schopné reagovat na červené světlo, takže se nám červený předmět při špatném osvětlení jeví jako černý. Pokud vezmeme dva předměty, jeden bude modrý a druhý červený, bude se nám za šera zdát modrý předmět jasnější než červený, ale když vyjdeme na světlo, může to být naopak. Tento jev se nazývá Purkyňův efekt.

Graf 1 Spektrální citlivost oka. Maximum citlivosti pro černobílé vidění je asi 500 nm,zatímco pro barevné je to asi 560 nm. [16]

Světločivné buňky obsahují pigmenty, což jsou chemické látky, které jsou schopné reagovat na světlo. Předpokládá se, že existují tři druhy čípků, z nichž každý obsahuje jiný pigment. Každý pigment má maximální citlivost pro jinou barvu světla, jeden pro červenou, druhý pro zelenou a třetí pro modrou. O existenci těchto třech druhů pigmentu svědčí to, že existují tři druhy barvosleposti, každému druhu chybí jeden pigment. Díky vnímání těchto lidí se podařilo určit spektrální citlivost jednotlivých receptorů (viz graf 1. 2). Zajímavé je, že se citlivosti jednotlivých receptorů překrývají. Když tyto čípky osvítíme libovolným světlem, dojde k jejich různému podráždění a tato informace je přenesena do mozku, kde je zpracována na výsledný barevný vjem. Když posvítíme modrým světlem, podráždí se receptor citlivý na modré světlo. Když posvítíme světlem o vlnové délce 570 nm, což odpovídá žluté barvě podráždí se čípky červené a zelené. Jestliže podráždíme stejně všechny čípky, vnímáme světlo jako bílé.

Graf 2 Spektrální citlivost receptorů lidského oka [16]

Jak měřit zrakový vjem

Bílé světlo můžeme rozložit hranolem nebo pomocí CD disku na celé spektrum vlnových délek, které vnímáme jako různé barvy. Otázka ale je, jestli bychom nemohli získat ten samý barevný vjem více způsoby. Například žluté barvě bude odpovídat světlo o vlnové délce asi 570 nm, ale můžeme ho získat složením červeného a zeleného světla. Podle toho jaké množství (poměr) červeného a zeleného světla použijeme mění se odstín žluté. Přidáme-li ještě modré světlo můžeme vytvořit světlo bílé. Míchání barev lze zapsat také symbolicky, matematicky. Pro skládá ní barev platí, že jestliže máme nějaké barevné světlo X a jiné světlo Y, které ale vnímáme jako stejné

pak jestliže k oběma přidáme stejné světlo Z, výsledná světla od sebe opět nerozeznáme

Jestliže tedy vezmeme světlo žluté barvy a vyrobíme stejně barevné světlo ze světla červené a zelené barvy a pokud obě světla osvítíme stejnou barvou, musí být výsledná barva opět stejná. Další princip skládání barev říká, že každou barvu X můžeme vytvořit, smícháme-li určité množství r barvy R a množství g barvy G a množství b barvy B.

Nabízí se otázka, zda můžeme vzít jakékoliv tři barvy (které samy nejsou závislé) za základní a jejích skládáním dostat všechny ostatní. Odpověď zní, ano, ale jen teoreticky, museli bychom totiž vzít záporné koeficienty. Ani pomocí červené, zelené a modré a jejích kladných příspěvků nevytvoříme všechny barvy (viz graf 1. 3), ale získáme takto největší spektrum. Kdybychom vzali například červené, modrá a žluté světlo, vytvoříme mnoho barev, ale nepodaří se nám jejich mísením (tj. za pomoci kladných příspěvků) získat zelené světlo.

Graf 3 Koeficienty, které musíte použít pro vytvoření všech barev [16]

Barvy se často zobrazují do diagramu. Při pohledu na vztah (1. 27) je ale vidět, že na vyjádření každé barvy bychom potřebovali tři souřadnice. Jenže smícháme nějaká množství těchto barev a pak jejich dvojnásobky, dostaneme tu samou barvu jen jasnější. Proto, jestliže nebudeme brát v úvahu jas, můžeme vytvořit dvourozměrný diagram (viz graf 1. 4). Normování na stejný jas vyjadřuje podmínka:

Graf 4 Diagram barevnosti [16]

Uvnitř zakřivené čáry se nachází všechny barvy, které je člověk schopen vnímat. Barva, která vznikne smísením dvou barev v nějakém poměru, leží na spojnici těchto dvou bodů. Jestliže mísíme červenou barvu s zelenou ve stejném poměru, bude se výsledná barva nacházet uprostřed úsečky RG. Když smísíme zelenou a modrou barvu v poměru 1 : 3, bude se tento bod nacházet v jedné čtvrtině od bodu G a ve třech čtvrtinách od bodu B. Uprostřed trojúhelníku RGB jsou všechny barvy, které můžeme získat jejich mísením. [16]

Vyvážení na bílou

Jak je vidět, situace není vůbec jednoduchá, ale ukazuje se, že skutečnost je ještě složitější. Barvu všech věcí kolem nás určujeme jako barvu světla, které se od nich odrazí. Předmět, který je modrý, odráží nejvíce modrou barvu. Bílý papír odrazí všechny barvy, neboli nemění spektrum, které na něj dopadá. Když na něj posvítíme bílým světlem, papír odrazí bílé světlo a je bílý. Jestliže ale posvítíme světlem, ve kterém převládá červená barva, v odraženém světle také převládá červená a papír by měl být červený. Problém je však v tom, že spektrální složení slunečního světla se během dne mění. Při zamračeném dni je trochu do modra v porovnání s poledním sluncem, ranní nebo večerní sluneční světlo je do červena. Přesto však stále vnímáme bílý papír jako bílý. Stejně tak světlo žárovky, bychom neměli vnímat jako bílé. V jejím spektru nejsou zastoupeny všechny složky stejně. Když se podíváte na její vyzařovací charakteristiku, uvidíte, že nejméně je zastoupena modrá barva a nejvíce červená. Přesto, když přejdeme ze slunečního světla do místnosti osvětlené žárovkou, světla považujeme obě světla za bílá a budeme vnímat stejně jako předtím i barvy všech předmětů.

Prostě lidský mozek nevnímá jako bílé světlo, které je objektivně bílé, ale to, co se za bílé rozhodne pokládat. Děje se to změnou citlivosti v sítnici a také činností mozkových center, kde je obraz zpracováván. Informace z čípků je zkrátka upravena podle okolních podmínek a na základě zkušeností. Pro člověka není důležité vnímat přesně barvu, ale bezpečně rozpoznat předmět. Nebylo by praktické, kdyby byl pokaždé jinak barevný.

O tom, že lidský zrak není objektivní a upravuje si, co bude požadovat za bílou barvu, se můžeme přesvědčit pokusem. Jestliže vezmeme dva zdroje světla, jeden červeného (můžeme ho získat z bílého použitím červeného filtru) a druhý bílého. Na bílou plochu namíříme světla tak, aby se z části překrývala. Na promítací ploše by tedy měla být červená plocha tam, kam dopadá jen červené světlo, bílá plocha, kam dopadá jen bílé světlo a v místě, kde se světla překryjí, by měla být barva růžová. Skutečnost však bude jiná. Neuvidíme růžovou barvu, naše oko ji prohlásí za bílou a skutečnou bílou pak uvidíme jako modrozelenou.

Dalším důkazem neobjektivity lidského zraku jsou optické klamy. Stejnou barvu nevnímáme vždy stejně, záleží na barvách, které jsou okolo. Jestliže je okolí tmavší myslíme si, že i tato barva je tmavší a naopak (viz obr. 2).

Obr. 2 Všechny tyto optické klamy, ukazují, že výsledný barevný vjem je ovlivněn okolními barvami. Díky tmavšímu okolí se zdá být obrazec tmavší. A - oba obdélníky mají naprosto stejnou barvu a jas, B - všechny zelené čtverce jsou stejné, C - oba modré čtverce jsou také stejné [17]

Lidský zrak se tedy přizpůsobuje okolnímu osvětlení, ale jak se s tím vypořádá fotoaparát? Když něco vyfotografujeme, například při světle žárovky, bylo by dobré, abychom vnímali barvy stejně i pokud si snímek prohlížíme zrovna na denním světle. Fotoaparátu musíme nějak dát vědět, v jakém světle budeme fotografovat a co tedy má považovat za bílou. Když budeme fotografovat na film, musíme si prostě koupit film, který je určený buď pro denní světlo nebo pro světlo umělé (žárovkové). Další korekci barev můžeme provést pomocí filtru, který nasadíme na objektiv. Filtr musí mít barvu doplňkovou k barvě světla. Propustí pak více světla v doplňkové barvě a převažující barvu světla potlačí. U červeného světla žárovky tedy musíme použít modrozelený (azurový) filtr. Pořízené snímky pak mohou ještě vylepšit při vyvolávání ve fotolabu. Dnes už se ale většinou používají digitální fotoaparáty. Zde je situace jednodušší. Při červeném světle žárovky stačí snížit citlivost červeného senzoru a při namodralém světle zářivky zase modrého. Většina fotoaparátů má automatické vyvážení bílé, které bývá pro většinu běžných situací postačující. Senzor fotoaparátu zjistí, že ve světle převažuje červená a automaticky upraví citlivost čipu. U mnoha fotoaparátů najdeme přednastavené režimy. Před fotografováním přístroji přímo řekneme, teď jsme na světle žárovky, nebo je pod mrakem atd. (viz obr. 1. 46). U lepších přístrojů pak můžeme přímo sejmout předmět svojí barvou blízký bílé a říci fotoaparátu, toto považuj za bílou a on si nastaví senzory (viz obr. 1. 47). Pokud zjistíme až později, že se nám výsledek nelíbí, máme ještě možnost snímky upravit v počítači. Zde postupujeme stejně, klikneme na něco bílého a řekneme toto je bílé a počítač přepočítá všechny barvy a zobrazí vyvážený obrázek.

Obr. 3 Vyvážení na bílou: A - snímek ve světle žárovky fotografovaný v režimu žárovky; B - snímek ve světle žárovky režimu na denní světlo; C - snímek ve světle zářivky fotografovaný v režimu žárovky; D - snímek ve světle zářivky fotografovaný v režimu na denní světlo.

Obr. 4 Vyvážení na bílou: A - barva, kterou jsme nastavili jako bílou; B - fotografie s tímto nastavením v žárovkovém světle.

Demonstrace skladáni barev

Aditivní skládání barev si můžete vyzkoušet v programu skládání barev. Při jeho otevření se objeví tři barevné kruhy, červený, zelený a modrý. Stejně jako je tomu u digitálního fotoaparátu, i zde můžete každé ze tří barev přiřadit hodnotu od 0 do 255, podle intenzity světla dané barvy. Tyto hodnoty můžete zadávat napsáním do příslušného pole nebo posunem táhla.

Můžete si také stejně jako já, vyrobit malou pomůcku [18], kterou můžete skládání barev světla demonstrovat. Budete k tomu potřebovat bílý ping - pongový míček, led diody tří barev (červenou, zelenou a modrou), proměnné odpory, ochranné rezistory, vypínače, vodiče, plochou baterii a kousek dřevěné desky na podstavec. Červenou a zelenou diodu použijte obyčejnou, protože mají užší spektrum než vysoce svítivé diody (zvláště zelená vysoce svítivá dioda je spíše do žluta). Modrá dioda se vyrábí jen vysoce svítivá, proto se musí omezit mnohem větším odporem než ostatní diody, aby svítila srovnatelně intenzivně. Čepička diody působí jako čočka a soustředí světlo jen do úzkého kužele. Pro tento pokus je ale naopak potřeba,aby se světlo co nejvíce rozptylovalo. Proto musíte diodám nejdříve odříznout vršek čepičky a brusným papírem řez zabrousit do hladka (zbruste je asi na 1 mm od kontaktů). Do dřevěné desky si vyvrtejte otvory na vodiče, proměnné odpory a vypínače. Obvod potom zapojte podle schématu (viz obr. 5). U každé diody musí být ochranný rezistor. U zelené jsem použila 43 W, u červené 50 W a největší u modré 1 490 W. Proměnné odpory jsem použila pro všechny diody stejné a to v rozsahu 0 W až 500 W. Do ping - pongového míčku vyvrtejte tři otvory tak, aby se tam daly přesně zasunout led diody.

Obr. 5 Schéma zapojení mixéru barev z led diod a z ping - pongového míčku

Obr. 6 Můj mixér barev

Změnou odporu můžete regulovat svit diod. Pokud zapnete všechny diody, podaří se vám nastavit diody tak, že míček bude svítit bíle. Pokud vypnete modrou diodu, skládáním červeného a zeleného světla pak získáte různé odstíny žluté. Pokud necháte zapnutou modrou a zelenou, získáte modrozelenou (azurovou) barvu a při skládání červené a modré můžete nastavit různé odstíny fialové (viz obr. 7)

Obr. 7 A - modrá, B - zelená, C - červená, D - modrá + zelená = azurová, E - zelená + červená = žlutá, F - modrá + červená = fialová, G - červená + zelená + modrá = bílá.

Můžete se také pokusit ukázat, že stejnou žlutou barvu můžete získat jako monochromatickou a složenou z červené a zelené barvy. Budete k tomu potřebovat ještě jeden ping - pongový míček, do kterého uděláte jeden otvor na ledku, dále pak žlutou led diodu, kterou zbrousíte stejným způsobem jako ostatní diody. K diodě musíte ještě připojit ochranný rezistor (použila jsem 100 W). Rozsviťte žlutou diodu a pokuste se na mixéru barev nastavit pomocí regulace svitu červené a zelené diody stejnou barvu (viz obr. 8)

Obr. 8 Vpravo je monochromatická žlutá, vlevo žlutá složená z červené a zelené.

Pokud do míčku uděláte ještě jeden otvor, aby se do něj dal zasunout proužek papíru. Papír vždy do určitého směru zastíní světlo od určité diody. Na míčku pak můžete pozorovat barevné proužky. V místě, kde je zastíněna jen zelená uvidíte fialový proužek. Tam, kde zastíníte i červenou, je samozřejmě jen modrá barva. Kde se zastíní všechny, bude tmavý stín. Při zastínění modré a červené, uvidíte jen zelenou a pokud zastíníte jen červenou, vznikne žlutý proužek. Pokud přehodíte pořadí ledek, můžete získat i červený proužek a při zastínění jen červené proužek azurový (viz obr. 9).

Obr. 9 A - barevné pruhy vzniklé při vložení papíru při pořadí diod zleva modrá, červená zelená; B - schéma vzniku barevných proužků při pořadí diod zleva modrá, červená, zelená ;C - barevné pruhy vzniklé při vložení papíru při pořadí diod zleva červená, zelená, modrá; D - schéma vzniku barevných proužků při pořadí diod zleva červená, zelená, modrá.