A színekről [1]

Mivel a körülöttünk lévő világról tudásunk legjavát a látásunknak köszönhetjük, nem csodálkozhatunk azon, hogy a mindennapokban az emberek többsége „tudja”, hogy mi a fény és mi a szín. Ha azonban feltesszük a „milyen?” és „mennyi?” kérdéseket, rögtön kiderül, hogy alaposabban körbe kell járnunk a szín fogalmát és mérésének lehetőségeit. Különös, de több száz évnek kellett eltelnie (ha az ókor és a középkor spekulatív magyarázatait nem számítjuk), amíg a színek lényegét, továbbá mérésük elvét és mikéntjét megértettük, miközben sokkal elvontabb és nagyobb matematikai apparátust igénylő feladatokat elődeink már régen megoldottak.

Mielőtt időrendi sorrendbe raknánk a színek megismerésének állomásait, ugorjunk egy nagyot a mába, és tisztázunk néhány nélkülözhetetlen alapfogalmat.

A „háromdimenziós” szín

A mindennapokban a színeket a legtöbbször egy szóval, esetleg egy összetett szóval nevezzük meg (sárga, zöld, lila, barna, rózsaszínű, narancssárga stb.). Olykor ezzel magunk is elégedetlenek vagyunk, ekkor elővesszük az olyan kifejezéseket, mint pl. a halványzöld, a élénkvörös, vagy a pasztell kék. Ilyenkor nem nagyon vagyunk tudatában annak, hogy a dolgok „színessége” két független jellemzővel, a színezettel (hue) és a telítettséggel (saturation) írható le. (Ezek másképp is kifejezhetők, de erről később.)

Ráadásul egy tárgy színességén kívül a színérzetünket befolyásolja a színek erőssége, intenzitása is, vagyis hogy mennyire világosnak érzünk egy adott színt (de nem abban az értelemben, ahogyan pl. a világoszöldet és a sötétzöldet megkülönböztetjük, mert ezzel többnyire csak színezeti eltérést fejezzük ki). Ezt nevezzük „szakszerűen” a szín világosságának (brightness). A környezetünkben látható bármely színhez tehát három tulajdonságot kell hozzárendelnünk, ezért mondjuk, hogy a szín háromdimenziós.

A három dimenzió szemléltetésének számtalan változata jelent meg az idők során. Ezek egyike, a hengeres HSV ábrázolás látható a fenti ábrán. Itt a körvonal mentén a színezet (hue, H) sugárirányban a színezet (saturation, S), a henger tengelye mentén pedig a világosság (brightness vagy value, V) változása követhető. A szaggatott vonallal jelölt hiányzó rész a vörös és a kék összeadó keverésével létrehozható, a fényforrások spektrumában nem megtalálható bíbor színek helyét mutatja

Az itt említett „dimenziók” (színezet, telítettség és világosság) eredendően szubjektív érzetjellemzők. Mint látni fogjuk, a nagy kihívás éppen az volt, hogy a színméréshez ezeket „objektívvé” tegyék, és így a színek, ha nem is a pszichikai érzet szintjén, mennyiségileg is meghatározhatók legyenek. Ennek az az alapja, hogy szigorúan kontrollált kísérleti körülmények között a látásunk elég nagy pontossággal képes két szín színezetének (hue) és világosságának (brightness) egyezőségét megállapítani.

A színérzet jellemzői ugyanis általánosságban a rengeteg környezeti, fizikai és pszichikai módosító, befolyásoló tényező miatt, továbbá látásunk relatív jellege miatt számszerűen nem meghatározhatók. Ennek alátámasztására soroljuk fel az észlelő (észlelés) néhány egyedi sajátosságát, egészséges látású észlelőt feltételezve: a fiziológiai eltérésekből adódó szubjektivitás, az adaptáció szintje, a pillanatnyi lelkiállapot és hangulat, az emlékképek, a testi állapot (kor, és nem), az asszociációk, a többi érzékszerv befolyásoló hatása, a környezeti megvilágítás hatása (spektrális energiaeloszlása) stb.

Ha ezeket a „zavaró” tényezőket sikerül minimálisra csökkenteni, akkor beszélhetünk az ún. redukált színérzetről, amelyhez már mérhető jellemzőket tudunk hozzárendelni, t. i. a színinger jellemzőit.

Színinger és színérzet

Mielőtt tovább mennénk, a színfogalmat a fentiek alapján más szempontból is finomítanunk kell. Sajnálatos módon a „szín” szót legalább két, de inkább három teljesen eltérő fogalom jelölésére használták és használjuk ma is. Ez hosszú évszázadokon keresztül megnehezítette a színek valódi megértését még a tudomány emberei számára is. Több kiváló magyar színkutató ezért egyenesen a „szín” szó önmagában való használatának száműzését javasolta, ami persze lehetetlen. Nem lehetetlen azonban, sőt elkerülhetetlen a színinger és a színérzet fogalmának megkülönböztetése és használata, amikor nem teljesen világos, hogy állításaink mire vonatkoznak. Előre eláruljuk, hogy a színmérésben túlnyomórészt a színinger fogalmát használjuk (mivel, mint említettük, az érzetek csak körülírhatók, de nem mérhetők).

Az elektromágneses sugárzás egy fölöttébb keskeny tartománya vagy annak részei fizikai ingerként érkeznek a szemünkbe (mellesleg, a fizikusok ezt is gyakran színnek nevezik, ami a „szín” szó harmadik jelentése), ahol az ott lévő színérzékelő receptorokat ingerlik, előállítva a pszichofizikai színingereket. Hogy mi a pszichofizika, arról később beszélünk.

A fény- és színingert, és ennek nyomán a fény- és színérzetet kiváltó fizikai hatás a min. 360 nanométer és max. 830 nanométer közötti elektromágneses sugárzás vagy annak egy része, illetve összetevőinek keverékei. A gyakorlati számításokhoz elegendő a 380 és 720 nanométer közötti tartomány, de gyakran megelégszünk a  400-700 nanométeres tartomány vizsgálatával is

A színingerek – most nem tárgyalandó módon – központi idegrendszerünkben létrehozzák a pszichikai színérzetet. A színinger angol megfelelője a colour stimulus, a színérzeté pedig a perceived colour (a colour helyett a legtöbbször az amerikai color szót használják). Mindazonáltal azokban az esetekben, amikor félreérthetetlen, hogy a fizikai, a pszichofizikai vagy a pszichikai fogalomról van szó, továbbra is gyakran egyszerűen azt mondjuk, hogy “szín”.

(A magyar szaknyelvben a színérzetet színérzékletnek, tudatosítását pedig színészleletnek is nevezik, de ebben az írásban én maradnék az egyszerűbb „színérzet” elnevezésnél. Régebben használatos volt a színélmény elnevezés is, amely talán a legtalálóbban fejezi ki a színlátás szubjektivitását.)

Mi a szín?

Feltehetjük ezután a kérdést, hogy ha mégis egyetlen szót, t. i. a szín kifejezést akarjuk használni, akkor ez mit jelent? Mi a szín „igazi” jelentése?

Az általánosan elfogadott mai álláspont szerint a színek a látható elektromágneses hullámok (illetve ezek keverékei) által kiváltott idegélettani folyamatok nyomán létrejött érzetek (érzékletek, észletetek). Valójában ez fedi a szín valódi fogalmát, hiszen ha emberek (és más színlátó élőlények) nem léteznének, akkor színek sem lennének. Az elektromágneses sugárzás persze az élettelen dolgokra is sokféle hatást gyakorol, de ennek semmi köze a színekhez. A szín makroszinten pszichikai vagy pszichológiai, mikroszinten pedig neurofiziológiai „jelenség”, amelyet egy fizikai hatás, nevezetesen egy szűk hullámhossz-tartományba eső elektromágneses sugárzás vált ki.

Ebből a meghatározásból következik, hogy a színlátásban a fizika, a fiziológia és a pszichológia egyaránt szerepet játszik, pedig ezek nagyon is eltérő tudományterültek. Az elmúlt párszáz évben éppen az ebből adódó ún. kategóriahiba (category error) – azaz egy-egy jelenség magyarázatának keresése a nem megfelelő kategóriában – okozta, hogy oly sokáig tartott, és annyi fejtörést okozott a színek igazi természetének megismerése.

Mi kell a színérzékeléshez?

Ebben az írásban a tárgyakkal kapcsolatban csak a színérzékelésről beszélünk, ámbár a tárgyakat a színen kívül a felületük textúrája, a tükröző vagy diffúz felület, maga az alak, átlátszóság és egyéb tényezők jellemeznek (appearance). Mindezek érzékeléséhez (beleértve a színeket) három dolog szükséges: 1) megvilágító fény (“elsődleges”, önvilágító fényforrás), 2) megvilágított tárgy, objektum (“másodlagos”, azaz önmagától fényt nem kibocsátó fényforrás) és 3) az ember vizuális rendszere (human visual system, HVS), vagyis a szemünk és az idegrendszerünk színinformációkat feldolgozó része.

A szín- és fényérzékeléshez kell egy elsődleges sugárzó, a megvilágított tárgy(ak), a szemünk és a kapott információkat feldolgozó idegrendszer. Az utóbbi kettő egységet alkot, a szemünk tulajdonképpen agyunk “meghosszabbítása”. A szemünket a látóideg köti össze az agyunkkal, és a ma már igazolt feltételezések szerint már a szem és az agy között egyfajta “előfeldolgozás” történik. A fenti általános séma annyiban egyszerűsödhet, hogy az önvilágító (elsődleges) fényforrásokat tárgyak nélkül is tudjuk észlelni. A tárgyakat (másodlagos sugárzók) viszont megvilágítás nélkül nem látjuk

Megjegyzendő, hogy minden, ami az elsődleges (emisszív) fényforrás útjában áll (üvegbúra, LCD kijelzők színszűrője, a Föld légköre stb.) másodlagos fényforrásnak, azaz “tárgynak” minősül, és színének kialakításában a szubtraktív színkeverés (is), azaz bizonyos színingerek visszaverése, elnyelése vagy áteresztése is szerepet játszhat. A fényforrások színeinek keverése additív (összeadó) jellegű. A valóságban összehasonlíthatatlanul több “tárgyat”, mint közvetlen fényforrást látunk, ezek színe a főként a szubtraktív (kivonó) színkeverés eredménye, bár itt is szerepet játszhat az additív színkeverés is. Az elsődleges fényforrások fényét és színét a legtöbbször csak a tárgyakkal való kölcsönhatásban érzékeljük. Elsődleges fényforrások közvetlen megfigyelésekor a “tárgy” maga a szem, a hullámhosszfüggő elnyelési, illetve érzékenységi karakterisztikáival.

A spektrum

Nézzük először a kiváltó okot, a fizikai ingert! Látható spektrumnak (az „optikai spektrum” per defínició ennél nagyobb, 10 nanométertől 0,1 mm-ig terjed, lásd a fenti ábrát), vagy ebben az írásban egyszerűen csak spektrumnak (színképnek) fogjuk nevezni az elektromágneses sugárzás hullámhosszainak (vagy frekvenciáinak) teljes látható tartományát, legyen szó bármilyen elsődleges vagy másodlagos fényforrásról (megvilágított vagy átvilágított tárgyról).

A fényforrások spektruma természetesen végtelenül sokféle lehet, ezen belül beszélhetünk folytonos, sávos vagy vonalas spektrumról. A folytonos spektrum leggyakrabban emlegetett példája az ún. feketetest, illetve a termikus sugárzók spektruma (ehhez nagyon közeli pl. a Nap fénye), a sávos spektrum gyakori az ún. fluoreszcens fényforrásoknál (pl. fénycső), a vonalas spektrum pedig pl. a gerjesztett kisnyomású gázokra jellemző, egy vagy több spektrumvonallal.

Manapság a vonalas spektrum (monokromatikus, egy hullámhosszúságú, spektrálisan “tiszta” sugárzás) legkézenfekvőbb és legpontosabb előállítási módja a lézerfény gerjesztése. De közel spektrálisan tiszta (100%-os telítettségű) színinger hozható létre megfelelően megválasztott LED-ekkel, vagy akár fehér fény szűrésével kellően keskeny sávú speciális interferenciaszűrőkkel is.

A folytonos vagy sávos spektrum különböző hullámhosszúságú összetevők végtelen sokasága, amelyek közül azonban látásunk csak véges számú összetevőt tud megkülönböztetni. A spektrum jellemzésére leggyakrabban használt fizikai jellemző az ún. spektrális energiaeloszlás (spectral power distribution – SPD) watt/nanométer egységekben, vagy ennek relatív változata, ahol a legnagyobb energiájú összetevőhöz rendelik hozzá az 1-es (100%) értéket.

A “fehér” fény különböző változataihoz tartozó relatív spektrális energiaeloszlások. Figyelemre méltó, hogy az itt látható spektrumok közel azonos színérzetet, t.i. eltérő színhőmérsékletű, de fehérnek érzékelhető színezetet hoznak létre. (Ezen belül “hidegebb” vagy “melegebb” fehér fényről beszélhetünk). A “fehér” színeket összefoglalóan akromatikus színeknek is nevezik

Mint látjuk, ha csak a spektrum összetevőit vesszük figyelembe mint ingerforrást, ezek keverés nélkül nem tudnak kiváltani egy sor színt, nevezetesen a spektrum két szélén lévő kék és vörös kever(ed)ésével keletkező ún. bíbor (magenta) színeket. Már most megjegyezzük, hogy egy konkrét spektrális energiaeloszlás – bár valamilyen színt mindig előállít – önmagában nem alkalmas színmérésre. Ugyanis egy adott színérzet többféle spektrális energiaeloszlású fizikai ingerrel kiváltható (metamerizmus).

Sugárzásmérés, fénymérés, színmérés

Az optikai sugárzás (fizikai) jellemzőinek mérésével a radiometria, a fényinger, illetve a színinger mérésével pedig a fotometria, illetve a kolorimetria foglalkozik. A radiometria a szokásos fizikai mennyiségekkel dolgozik, mint pl. a teljesítmény (W), a besugárzás (W/m2), a sugársűrűség (W/(sr.m2)) stb. A fotometria ezzel szemben a radiometriai mennyiségeket a szemünk spektrális fényhatásfokával, más szóval spektrális fényérzékenységével „súlyozza”. A kapott fotometriai mennyiségek pl. a fényáram (lm), a megvilágítás (lm/m2), a fényerősség (cd) és a fénysűrűség (cd/m2).

Végül a kolorimetria a fizikai inger spektrális teljesítményeloszlását (SPD) a három színinger-megfeleltető függvénnyel (color matching functions) súlyozza, így határozva meg a három színinger-összetevőt (tristimulus values, trikromatikus mérőszámok). Ez utóbbiakból származtatható a színességet meghatározó két színinger-koordináta – ezek a síkbeli színinger-diagramon jellemzik a színpont helyét –, és a fénysűrűség mint harmadik dimenzió.

Bár a színinger-megfeleltető (color matching) függvényekről – amelyekkel tehát súlyozni kell a megvilágító vagy megvilágított fényforrás spektrális energiaeloszlását – később fogunk részletesebben beszélni, példaként bemutatjuk az ún. CIE RGB színrendszerben meghatározott három függvényt (1931). Hogy a meghatározásuk hogyan történt, az egy külön történet.

A három színinger-megfeleltető (súlyozó) függvény a CIE RGB rendszerben. Ezek szoros kapcsolatban vannak szemünk három színérzékelő receptorának (csapok) spektrális érzékenységi karakterisztikáival. Azonban míg a csapok hullámhossz szerinti érzékenysége biológiai adottság, a bemutatott függvények csak a konkrét R, G, B alapszínek (R = 700 nm, G= 546,1 nm, B = 435,8 nm, monokromatikus alapszínek, a CIE RGB rendszer alapszínei) mellett ilyenek, más alapszínek esetén eltérő alakúak

Egy tetszés szerinti spektrálisan tiszta, azaz monokromatikus C színinger R, G, B színösszetevő együtthatóit (ezek konkrét skalár számértékek) úgy kapjuk meg, hogy az adott hullámhosszon az ábráról leolvassuk az r(λ), g(λ), b(λ) függvények értékeit (amelyek egyébként táblázatos formában, általában 1 nanométeres lépésekben, minden összefoglaló színtani munkában megtalálhatók). Ezeket rendre megszorozzuk az R, G, B alapszíningerekkel, majd a három szorzatot összeadva máris eljutunk az eredményhez:

CRR + GG + BB , ahol tehát R, G és B rendre az r(λ), g(λ) és b(λ) függvényeknek a C színinger hullámhosszán felvett értékeit jelentik

A „≡” szimbólum itt azt jelenti, hogy „egyformának látszik”. Ismét emlékeztetünk rá, hogy mind az R, G, B alapszíningerek, mind a C meghatározandó színinger három adattal írhatók le, tehát kézenfekvő a vektormennyiségként való geometriai értelmezésük.

Ha nem monokromatikus színingert szeretnénk a színinger-megfeleltető függvényekkel meghatározni, akkor kissé bonyolultabb a dolog. Az R, G, B színösszetevők kiszámításához az r(λ), g(λ), b(λ) függvényeket rendre meg kell szorozni a kérdéses színinger spektrális energiaeloszlásával (amely szintén a hullámhossz függvénye), majd a szorzatokat a hullámhossz szerint integrálni kell. A gyakorlati számításokban az integrálást numerikus összegzéssel (közelítéssel ) helyettesítik. A konkrét súlyozó függvények, mint az ábra alatt már utaltunk rá, függenek a választott RGB rendszertől (amely a fenti esetben a CIE RGB rendszer, 700, 546,1 és 435,8 nanométeres monokromatikus alapszínekkel)!

A mai színmérő rendszerek alapja és „őse” azonban nem a CIE RGB rendszer, hanem praktikus okokból a képzetes (optikailag nem előállítható) X, Y, Z alapszíneket használó 1931-es CIE XYZ univerzális színmérő rendszer. Arra a kérdésre, hogy erre miért volt szükség, és hogyan hozták létre, a Tisztelt Olvasó a következő rész végén kap választ.

Folytatása következik

N. Á.

Legyen Ön az első hozzászóló

Várjuk hozzászólását!

Az Ön email címe nem kerül nyilvánosságra.


*


Ez a weboldal az Akismet szolgáltatását használja a spam kiszűrésére. Tudjunk meg többet arról, hogyan dolgozzák fel a hozzászólásunk adatait..