Fotografia barwna - podstawy, cz I

 

 

Mechanizm widzenia barwnego

Człowiek postrzega wzrokiem promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal od ok. 400 do 700 nanometrów (1 nm = 10-9 m = 0,000001 mm); 400 nm to barwa fioletowa, 700 — czerwona wpadająca w odcień wiśniowy.

Jak widać, to, co jesteśmy w stanie zarejestrować naszym zmysłem wzroku, zajmuje bardzo wąski obszar promieniowania elektromagnetycznego. Nieco więcej widzą węże — grzechotnik dysponuje specjalnym organem pozwalającym mu odbierać promieniowanie podczerwone (cieplne), dzięki czemu nawet w głębokiej nocy może upolować niespodziewającą się niczego mysz — ale już nie zmiennocieplną żabę czy jaszczurkę. Z kolei niektóre owady, m.in. pszczoły, widzą ultrafiolet — ba, są nawet w stanie określić kierunek polaryzacji światła, co ułatwia im odnalezienie powrotnej drogi do ula.

Już z tego, co powyżej, wynika, że nasz zmysł wzroku nie jest wcale taki doskonały — a to tylko początek, najgorsze dopiero nastąpi! Otóż powiedzmy sobie bez ogródek, że wszystkie używane obecnie metody reprodukcji barwy, czy to będzie druk, czy telewizja, czy monitor komputera, czy wreszcie fotografia, to czyste oszustwo — tak naprawdę bowiem nie reprodukujemy barwy, tj. fali świetlnej o określonej długości, a jedynie WRAŻENIE  barwy!

Jeśli weźmiesz, Czytelniku, do ręki lupę i zbliżysz ją do ekranu swojego telewizora czy też monitora, dostrzeżesz, że miejsce wszystkich barw, jakie normalnie widzisz, zajęły tylko trzy: czerwona, zielona i niebieska. Gdzie się podziała cała reszta?! Ano, żeby to zrozumieć (a fotograf powinien to dobrze rozumieć!), musimy nieco bliżej przyjrzeć się mechanizmowi postrzegania barw.

Należy powiedzieć na wstępie, że jeszcze nie wszystko zostało wyjaśnione i naukowcy nadal intensywnie zajmują się tym problemem, ale podstawy wydają się nie budzić już wątpliwości, choćby dlatego, że najwyraźniej to wszystko działa...

 

rys. 08-1-01 Promieniowanie elektromegnetyczne

Te podstawy to teoria Younga-Helmholtza, sformułowana przez tych badaczy pod koniec XIX wieku i wspaniale potwierdzona przez jednego z najwybitniejszych ówczesnych fizyków Jamesa Clerka Maxwella, skądinąd twórcę teorii elektromagnetyzmu. Według Younga i Helmholtza na ekranie światłoczułym oka, czyli siatkówce, znajdują się dwa rodzaje receptorów: pręciki, o dużej czułości na światło, ale reagujące wyłącznie na intensywność oświetlenia, oraz czopki. Te rozróżniają barwy, ale są znacznie mniej czułe — dlatego właśnie przy niskim poziomie oświetlenia przestajemy widzieć kolory, które nadal tam są; kto nie wierzy, niech zrobi zdjęcie przy dostatecznie długim czasie ekspozycji (uwaga na drenaż baterii!) — kolory mogą się wydać nieco dziwne z uwagi na niecodzienne oświetlenie, ale niewątpliwie będą łatwo rozróżnialne.

Substancją uczulającą czopki na światło jest rodopsyna — związek zabarwiony na czerwono, stąd efekt czerwonych oczu. W zależności od swojej struktury chemicznej jest ona uczulona na światło niebieskie, zielone lub czerwone — i w efekcie na te właśnie kolory reagują czopki. Reszta odbywa się już w mózgu. Mózg niemowlęcia mozolnie uczy się, jak z proporcji bodźców odbieranych przez receptory budować wrażenie jasności i barwy — jaka proporcja sygnałów czerwonego, zielonego i niebieskiego odpowiada jakiemu kolorowi, odcieniowi i tonalności. Potem już wie: jednakowego natężenia sygnały zielony i czerwony to kolor żółtego słonecznika; więcej czerwonego niż zielonego to pomarańcza; jednakowe bodźce czerwony i niebieski to liliowy tulipan, więcej niebieskiego to fiołki. Nieważne, jaki jest rzeczywisty skład widmowy odbieranego światła, liczy się tylko wielkość i proporcje bodźców: czerwonego, zielonego,  niebieskiego.

[kn_advert]

Pod tym względem zmysł wzroku działa zupełnie inaczej niż słuch, gdzie wprawne ucho muzyka jest w stanie rozróżnić w złożonym brzmieniu orkiestry dźwięki wysyłane przez poszczególne instrumenty, precyzyjnie określić wysokość tonów, usłyszeć fałszywą nutę. Nie ma tam mowy o żadnej rekonstrukcji wrażeń — słysząc dźwięk, jesteśmy w stanie określić jego wysokość, tzn. częstotliwość fali akustycznej, wychwycić każdą zmianę tej częstotliwości, która objawia się obniżeniem lub podwyższeniem wysokości tonu, odróżnić barwę tonu klarnetu i trąbki, czyli zawartość składowych harmonicznych podstawowego dźwięku. Wzrok natomiast bardzo łatwo oszukać: jeśli umiejętnie dobierzemy  proporcje np. bodźców zielonego 550 nm i czerwonego 700 nm, oko (a właściwie mózg) nie odróżni tak spreparowanego światła od autentycznej, "widmowej" żółcieni odpowiadającej fali o długości 620 nm.

Barwy (lub światła), które oko postrzega jako identyczne, a które różnią się składem widmowym, noszą nazwę barw (świateł) metamerycznych. I właśnie na tworzeniu takich metamerów barw natury zasadza się barwna fotografia, barwna telewizja, barwny druk. Wszystkie te techniki operują w zasadzie trzema kolorami: czerwonym (R — red), zielonym (G — green) i niebieskim (B — blue). To właśnie słynne RGB, podstawa syntezy barw. Mieszając te trzy światła w odpowiednich proporcjach, jesteśmy w stanie odtworzyć w zasadzie wszystkie barwy natury, aczkolwiek, jak później zobaczymy, w sposób nie do końca doskonały, podobnie jak "dzienna" świetlówka tylko w pewnym stopniu może udawać światło słoneczne, a żarówki energooszczędne mimo starań producentów świecą jednak trochę inaczej niż stare, poczciwe żarówki tradycyjne.

 

rys. 08-1-02 Widmo światła białego wysyłanego przez rzeczywiste źródło termiczne

 

rys. 08-1-03 Widmo światła białego emitowanego przez jarzeniówki (źródło: katalog OSRAM)

 

Tradycyjna czarno-biała odbitka srebrowa może mieć odcień ciepły albo zimny, wreszcie neutralny — zależy to od rodzaju papieru i sposobu obróbki, a w gruncie rzeczy od kształtu i wielkości ziaren srebra tworzących obraz. Jednak bez względu na to, jakim "białym" światłem go oświetlimy, odcień tego obrazu pozostanie bez zmian. W dobie fotografii cyfrowej czarno-biała odbitka jest na ogół drukowana w CMYK-u « 1 » i tu rodzaj, tj. skład widmowy, światła, w jakim ją oglądamy, pełni rolę zasadniczą. Zdarzyło mi się kilkakrotnie widzieć, co się dzieje z czarno-białymi i barwnymi wydrukami, gdy zamiast światłem słonecznym, w którym miały zupełnie neutralny odcień, zostały oświetlone jarzeniówkami.

Parę lat  temu  wprowadzałem  do  ZPAF  jednego z moich kolegów. Zielona Sala, w której zasiada ciało oceniające kandydata, tj. Rada Artystyczna, oświetlona jest żarówkami energooszczędnymi, które świecą się nawet w dzień, ponieważ sala jest dość ciemna. Przyjaciel rozłożył swoje czarno-białe zdjęcia, które przedtem oglądaliśmy razem i które prezentowały się znakomicie — i cóż się okazało? Wszystkie były intensywnie fioletowe! Opanowałem panikę i, ponieważ za oknem był dzień, poprosiłem szacowną Radę, by zechciała obejrzeć prace tuż przy oknie. I tam wszystko było w porządku!

Podobną przygodę sam miałem wcześniej, gdy robiłem serię barwnych zdjęć na zlecenie pewnego biura architektonicznego. Wielkoformatowe powiększenia wykonałem osobiście, wyglądały doskonale, klient był zadowolony. Po pewnym czasie odwiedziłem biuro, zdjęcia wisiały na ścianach i moim przerażonym oczom ukazał się widok straszny: wszystkie były purpurowe!

rys. 08-2-01	rys. 08-2-02	rys. 08-2-03
rys. 08-2-04
rys. 08-2-05	rys. 08-2-06	rys. 08-2-07

 

rys. 08-3-01 Reprodukcja barw przez złożenie trzech obrazów cząstkowych, wyciągów RGB

 

Dokładnie na tej samej zasadzie działa projektor kina domowego, gdzie trzy obrazy cząstkowe odpowiadające wyciągom czerwonemu, zielonemu i niebieskiemu są wyświetlane — z oddzielnych lamp leżących obok siebie i przysłoniętych odpowiednimi filtrami — na wspólny ekran, dając pełną iluzję barw naturalnych.

Alternatywne rozwiązanie to wyświetlanie naprzemiennie w szybkim tempie następujących po sobie obrazów-wyciągów: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Dzięki bezwładności oka widzimy jeden obraz w barwach  naturalnych.

Jeszcze inny sposób stosuje się w telewizji i monitorach komputerowych: tu mamy do czynienia z mozaiką punktów świecących w tychże podstawowych trzech kolorach. Z dostatecznej odległości, gdy już nie widać poszczególnych elementów mozaiki, odbieramy wrażenie wszystkich barw świata. Analogiczny mechanizm rejestracji stosuje się w aparatach cyfrowych: tu czujnik obrazowy (matryca) składa się z milionów elementarnych fotorejestratorów, pikseli (picture [pics] element), przysłoniętych odpowiednio filtrami R, G i B, układających się najczęściej w tzw. wzór Bayera.

[kn_advert]

No a co z drukiem barwnym i tradycyjną, trójwarstwową fotografią? Mimo że operują barwnikami w innych kolorach: żółty Y(ellow), purpurowy M(agenta), niebieskozielony C(yan), tak naprawdę tworzą obraz również ze świateł R, G i B. Barwnik żółty działa jako filtr światła niebieskiego, dozując jego ilość; podobnie filtr M reguluje ilość światła zielonego, a filtr C — światła czerwonego. Nałożenie na siebie tych trzech filtrów o maksymalnej gęstości powinno w teorii spowodować całkowite zatrzymanie światła, czyli absolutną czerń; w rzeczywistości, wskutek niedoskonałości barwników, nałożenie ich na siebie nie daje wymaganej czerni, a jedynie brudnawy brąz, zatem w druku stosuje się jeszcze barwę czwartą, czyli właśnie czerń (sadzę). Wykorzystać pierwszej litery słowa black nie można, bo "B" zostało już zarezerwowane dla Blue; zatem przyjęło się używać litery ostatniej — "K". Stąd popularny CMYK.

Dodawanie i odejmowanie świateł — arytmetyka barw. Metoda addytywna i subtraktywna

Skoro już wiemy, w jaki sposób odbieramy barwy otoczenia, tzn. że wystarczy odpowiednio dobrać proporcję trzech zaledwie świateł: czerwonego, zielonego i niebieskiego, by uzyskać dowolne wrażenie barwne, pora wykorzystać to w praktyce. Powiedzmy tylko jeszcze przedtem, że wszystko, co tu nastąpi, daje receptę na prawidłową reprodukcję barw tylko dla gatunku homo sapiens — wszelkie istoty, które mają receptory światła i barw ulokowane w innym zakresie widma elektromagnetycznego, nic znajomego na naszych kolorowych zdjęciach czy świecących ekranach nie zobaczą. To na wypadek, gdyby nas kiedyś odwiedzili goście z innych planet...

rys. 08-4-01 Diagram chromatyczności CIE (Commission Internationale de l’Eclairage)

Każda barwa, jaką można otrzymać w wyniku mieszania świateł A i B, znajduje się na prostej łączącej te punkty; w zależności od wzajemnej intensywności tych świateł różny będzie odcień barwy pochodnej — bliższy A lub B. Zwróćmy jednak uwagę, że nawet mieszając barwy nasycone (na obwodzie gamutu), zawsze otrzymamy barwę o mniejszym nasyceniu, leżącą bliżej punktu bieli —   ukośna prosta wyznacza na obwodzie odpowiednik nasycony. Zatem za pomocą metody trójbarwnej nie jesteśmy w stanie otrzymać czystych, nasyconych barw —   zawsze będą one mniej lub bardziej rozbielone lub przybrudzone.

rys. 08-4-03 Synteza trójbarwna

Ten schemat (rys. 08-4-03 i 04) unaocznia, że im więcej barw składa się na wynik mieszania, tym szerszą otrzymujemy przestrzeń barwną, a zatem rośnie szansa na otrzymanie bardziej nasyconych kolorów. Jest to jeden z powodów, dla których do drukowania z wysoką jakością używa się nie trzech pigmentów, a więcej, np. pięciu.

rys. 08-4-04 Synteza pięciobarwna

 

W pierwszym przypadku światła dodają się bezpośrednio:

R+G+B = 1;         R+G = Y;       R+B = M;         G+B = C.

W drugim odejmują się poprzez filtry:

Y = 1–B       filtr żółty (Yellow) zatrzymuje (pochłania) światło niebieskie (Blue),

M = 1–G       filtr purpurowy (Magenta) zatrzymuje (pochłania) światło zielone (Green),

C = 1–R        filtr niebiesko-zielony (Cyan) zatrzymuje (pochłania) światło czerwone (Red).

 

rys. 8-4-06 Działanie filtrów C, M, Y

A jeśli nałożymy na siebie dwa filtry?

Y+M = (1–B) + (1–G) = 1–B–G = (R+G+B)–B–G = R

(Dziwna arytmetyka: 1+1 = 1, ale bo też dodanie światła białego do światła białego daje nadal światło białe!).

Analogicznie:

Y+C = 1–B–R = G

M+C = 1–G–R = B

Komu nie odpowiada arytmetyka, z pewnością polubi następujące  diagramy:

rys. 08-4-07 Synteza addytywnarys, 08-4-08 Synteza subtraktywna

Zaś zebrać to wszystko można w postaci tzw. koła barw:

rys. 08-4-09 Koło barw

Ten schemat każdy fotograf powinien mieć w pamięci i umieć powtórzyć obudzony w środku nocy!

Konstrukcja jest prosta: w co drugie pole wpisujemy, w dowolnej kolejności, symbole barw podstawowych — R, G, B. Teraz można pójść dwiema drogami. Najprościej:

a)    W każde puste PRZECIWLEGŁE pole wpisać odpowiednią barwę dopełniającą, tj. taką, która dodana do podstawowej da światło białe: żółty do niebieskiego, purpura do zielonego, niebiesko-zielony do czerwonego: B → Y, G → M, R → C. Gotowe.

b)    Między dwa zajęte już pola wpisać barwę pochodną powstałą z mieszania tych dwóch podstawowych:

R+B = M,          R+G = Y,                B+G = C.

Rezultat oczywiście jest (musi być!) identyczny. Teraz możemy już ćwiczyć reguły składania barw.

Między dwiema sąsiednimi barwami podstawowymi (addytywnymi) mamy wynik ich mieszania; podobnie między dwiema barwami pochodnymi (subtraktywnymi) widnieje wynik nałożenia na siebie odpowiednich filtrów. Naprzeciwko każdego pola barwnego widnieje barwa dopełniająca: mniej purpury to więcej zielonego, mniej niebieskiego to więcej żółtego itd. Przydatne, prawda? Bardzo ważne to było w dobie tradycyjnej fotografii barwnej, np. przy filtrowaniu odbitek, ale i dziś ta wiedza jest pomocna przy korygowaniu za pomocą Photoshopa dominanty barwnej zdjęcia — no i w studiu, gdy operujemy lampami przysłoniętymi barwnymi filtrami, łatwiej można przewidzieć powstałe efekty.