Dlaczego widzimy kolory?

Nasz wzrok pozwala nam uzyskać więcej informacji o otaczającym nas świecie niż inne narządy zmysłów. Powstawanie koloru jest zjawiskiem złożonym i wielowymiarowym. Pisząc o kolorach, nie sposób też nie wspomnieć o świetle i jego roli w całym procesie. Jak więc powstają kolory? Dlaczego je widzimy? Czym jest światło widzialne i fale świetlne? Sprawdź koniecznie!

Siła światła… czyli światło jako źródło barwy

Wiele osób zastanawia się, jak powstają kolory. Aby jednak wyjaśnić ten proces, musimy zacząć od światła. Światło to fale elektromagnetyczne, podobnie jak mikrofale, fale radiowe czy promieniowanie rentgenowskie. Różnica polega jednak w długości fali. Fale radiowe mogą mieć długość nawet setek kilometrów, natomiast światło widzialne przez człowieka zawiera się w przedziale od 380 do 780 nanometrów.

Kolor pochodzi od światła, dlatego, aby zobaczyć kolory, potrzebujemy źródła oświetlenia. Tam, gdzie go nie ma, widzenie koloru jest niemożliwe, dlatego o zmierzchu świat traci swoje barwy.

Natura światła przez wieki była jednak kwestią sporną i trudną do zrozumienia. Z biegiem czasu odkryto, że światło zachowuje się jak strumień cząstek i jak fala. Takie zjawisko powszechnie nazywamy dualizmem korpuskularno-falowym.

Co nazywamy światłem widzialnym?

Jak już wiemy, nasze oczy są w stanie odbierać promieniowanie elektromagnetyczne o określonej długości. Falę elektromagnetyczną o największej długości sięgającej od 635 do 740 nm odbieramy jako kolor czerwony, natomiast najkrótsza długość fali (380 – 450 nm) odpowiada za widzenie koloru fioletowego.

W przypadku, gdy fala ma długość pośrednią z dwóch sąsiadujących ze sobą zakresów, widziana jest w postaci kolorów przejściowych. Promieniowanie o długości fali powyżej 740 nm (podczerwień) oraz o długości fali mniejszej niż 380 – 400 nm (ultrafiolet) nie są widziane przez ludzkie oko. Białe światło natomiast powstaje po zmieszaniu pojedynczych prostych barw, które nazywają się podstawowymi.

Widzenie kolorów – jak to się dzieje, że widzimy kolory?

Dlaczego jednak widzimy kolory? Zjawisko odbijania oraz pochłaniania fal elektromagnetycznych sprawia, że widzimy otaczający nas świat w kolorach. Nie byłoby to jednak możliwe bez użycia narządu wzroku. Należy pamiętać, że nasze oczy są niezwykle czułe, dzięki czemu uczestniczą w tworzeniu obrazów. Proces ten powszechnie określany jest widzeniem.

W naszych oczach znajdują się receptory światłoczułe nazywane czopkami i pręcikami. Pręciki ułatwiają nam rozpoznawanie kształtów i ruchów (pomagają dostrzec i zarejestrować nawet pojedynczy foton), natomiast czopki umożliwiają dostrzeganie barw przy odpowiednim świetle. Ludzie mają trzy typy czopków (światłoczułych fotoreceptorów siatkówki oka). Odbierają one światło w obszarze niebiesko-fioletowym, żółto-zielonym oraz czerwonym. Aby nasze oko mogło dostrzec obiekt, światło musi najpierw odbić się od danego przedmiotu, a dopiero później trafić do naszej siatkówki. Światło, które zostanie pochłonięte, nie będzie widoczne dla oka.

Można to łatwo wytłumaczyć na przykładzie śniegu (lub białej farby) oraz sadzy (lub czarnej farby). Śnieg niemal całe padające na niego światło odbija równomiernie, co sprawia, że nasze oko odbiera go jako kolor biały. Sadza z kolei pochłania całe promieniowanie, dlatego ludzki zmysł wzroku odbiera ją jako barwę czarną. Podobnie będzie także np. z kolorem czerwonym. Czerwone przedmioty absorbują promienie elektromagnetyczne o wszystkich długościach fal oprócz tych, które odpowiadają barwie czerwonej. Fale o długości odpowiadającej kolorowi czerwonemu są odbijane, a po dotarciu do naszego okna powodują, że widzimy je właśnie jako czerwone. Co sprawia jednak, że niektóre substancje pochłaniają światło czerwone a inne np. niebieskie czy zielone? Wszystko to określone jest przez strukturę cząsteczek, z których składa się dana substancja. Najprościej mówiąc, w jednym momencie jedna cząsteczka jest w stanie pochłonąć tylko jedną porcję promieniowania.

Ciekawostka – jak powstaje tęcza i dlaczego ją widzimy?

Tęcza to zjawisko, które powstaje dzięki rozproszeniu światła słonecznego (białe światło). Światło to dostaje się do atmosfery, gdzie napotyka na swojej drodze krople wody. W wyniku tego następuje rozkład światła białego na wielokolorowe widmo. Każdej z tych barw odpowiadają inne długości fali z zakresu widzialnego przez ludzkie oczy. Barwy tęczy zawierają więc kolor czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy.

Czy wszyscy tak samo widzimy kolory i jak powstaje wrażenie koloru?

Warto jednak zaznaczyć, że barwa to nie indywidualna cecha światła. Jest ona jedynie wrażeniem. Niektóre osoby widzą więcej barw niż pozostali. Zjawisko to uzależnione jest przede wszystkim od liczby czopków (fotoreceptorów) w oku, które odpowiedzialne są za widzenie barwne. Standardowo człowiek widzi kolory za pomocą trzech różnych rodzajów komórek receptorowych. Niezwykle rzadko występują mutacje dające ludziom dodatkowy rodzaj czopków. Jeżeli jednak dojdzie do takiej sytuacji, mutację tę nazywamy tetrochromią. Tetrachromatycy widzą o wiele więcej kolorów niż przeciętny człowiek.

Trzeba też podkreślić, że widziany przez nas kolor jest naszym subiektywnym odczuciem. Oczywiście można zmierzyć długości fal, ale interpretacja danych bodźców przez mózg jest indywidualna. Z tego powodu więc nie jesteśmy w stanie określić czy interpretujemy dany kolor tak samo, jak inne osoby.Co ciekawe, istnieją również inne mutacje genetyczne takie jak daltonizm. Daltonista najczęściej nie odróżnia koloru czerwonego lub myli go z zielenią, chociaż warto podkreślić, że istnieją różne odmiany daltonizmu. Cecha ta zdecydowanie częściej dziedziczona jest przez mężczyzn niż przez kobiety. Jeżeli natomiast w oku nie ma czopków lub nie funkcjonują one w typowy sposób, widzenie barw może być niemożliwe, a stan ten nazywa się achromatopsją.

Barwy podstawowe i barwy pochodne oraz mieszanie kolorów – co warto wiedzieć?

Myśląc o podstawowych kolorach, z pewnością możemy wyróżnić kolor czerwony, żółty i niebieski (RYB). Są one uwarunkowane historycznie w sztuce i architekturze. Dzięki nim – po zmieszaniu farb – możemy uzyskać inną barwę.

Barwy pochodne to z kolei pomarańczowy, zielony i fioletowy. Powstają one z farb podstawowych. Tak więc po wymieszaniu żółtego i niebieskiego wyjdzie nam kolor zielony, a gdy pomieszamy niebieski z czerwonym, otrzymamy kolor fioletowy. Z kolei połączenie koloru czerwonego i żółtego da nam kolor pomarańczowy. Narzędziem pomocnym w mieszaniu barw jest tzw. koło barw.

Istnieje też drugie koło barw, które przedstawia kolory podstawowe jako odcień niebieski, czerwony i zielony (RGB).

Podstawowe modele oceny koloru – jak ocenić i opisać kolor?

Wiemy już, że narząd wzroku ludzi nie jest w stanie całkowicie obiektywnie oceniać widzianych barw. Z tego względu dostępne są aparaty, które dokonują precyzyjnego pomiaru kolorów. Za pomocą aparatury pomiarowej możemy więc zdefiniować barwy w postaci liczbowej. Matematyczny zapis barwy został zatwierdzony jako zgodny z oceną wzrokową.

Kolory opisuje się za pomocą trzech atrybutów. Są nimi odcień, jasność i stopień nasycenia. Zostały one znormalizowane przez system CIE, co sprawia, że można dzięki temu dokonać opisu barwy za pomocą przedstawionych zmiennych.

Warto też podkreślić, że model idealnego dopasowania barw w skali przemysłowej nie jest osiągalny, dlatego powszechne stało się wyznaczanie zakresów tolerancji barw. Zakres błędu mieści się przedziale, w którym otrzymany kolor może być uznany za zgodny ze wzorcem. Brak pełnej zgodności koloru wynika z wielu różnych powodów, często niezależnych od producenta, a zakres błędu ustalany jest najczęściej w sposób indywidualny między klientem a dostawcą lub wytwórcą.

CMYK

Kolejną metodą opisywania barw jest CMYK. Model barw CMY nie był wystarczający do otrzymywania wszystkich kolorów, jakie są rozróżniane przez ludzkie oko. Zmieszanie składowych modelu, czyli czerwonego, niebieskiego i żółtego (cyan, magenta, yellow) nie pozwalało na uzyskanie koloru czarnego. Ze względu na to, model ten dopełniono kolorem czarnym i został dodany do palety pod postacią litery K (key colour). CMYK jest najczęściej stosowany do tworzenia wielobarwnych wydruków oraz grafik. Wprowadzając odpowiednie proporcje barw głównych, można otrzymać poszczególne barwy z modelu CMYK.

Innym sposobem na opisywanie barw jest model RGB (Red, Green, Blue). To nic innego, jak model wyrażenia przestrzeni barw w układzie współrzędnych. Jest on oparty o wrażenie widzenia barw, które powstają poprzez mieszanie się trzech wiązek światła z tegoż modelu. Jest to jedyny model wyjaśniający powstanie wrażenia koloru w naszych mózgach. Nie jest on jednak bezbłędny. Nie wyjaśnia, chociażby faktu, że po zmieszaniu jasnych kolorów nie otrzymujemy kolorów jeszcze jaśniejszych (nie powstanie też kolor biały, tzw. czysta biel). Model RGB można więc potraktować jako teoretyczny. Pamiętajmy również, że jego odwzorowanie zależne jest m.in. od sprzętu, na którym będziemy go wyświetlać.

Jeżeli znamy już podstawowe modele oceny koloru, wydawać by się mogło, że wystarczy zmieszać barwy z modelu RGB i CMYK, a wówczas uzyskamy wszystkie możliwe opcje kolorów. Nic bardziej mylnego! Ludzkie oko nie reaguje liniowo, a kolorowe materiały i barwniki nigdy nie będą perfekcyjne. Z uwagi na ten fakt stosuje się metody, które pozwalają zatuszować niedoskonałości i równoważyć defekty. Jak łatwo zauważyć, problemem ten bywa też wieloetapowy. Kolejną kwestią jest nie tyle wyprodukowanie koloru, ile jego wyrażenie.

Zwierzęta też widzą w różnych kolorach!

Jak widzą poszczególne zwierzęta?

• Ptaki – mają cztery rodzaje czopków. Dzięki temu mogą one widzieć świat ze znacznie lepszej perspektywy niż ludzie. Ptaki posiadają też zdolność widzenia w świetle ultrafioletowym.
• Pszczoły – dobrze widzą biel, czerń, żółć, ale nie widzą zieleni i czerwieni. Dodatkowo potrafią rejestrować ultrafiolet.
• Nietoperze – poza echolokacją, patrzą też światłem spolaryzowanym.
• Psy i koty – psy nie widzą czerwonego, rozpoznają natomiast odcienie żółtego i niebieskiego. Koty widzą żółty i niebieski. Nie widzą czerwonego, jednak nie stanowi to dla nich problemu. Oczy kota wyspecjalizowane są nie tyle w widzeniu barwy, a w szybkiej reakcji na ewentualny ruch.
• Skorupiaki – mają najbardziej złożony system widzenia wśród zwierząt. Potrafią rozdzielać światło ultrafioletowe na bardziej subtelne kolory, a dodatkowo widzą też światło spolaryzowane.
• Węże – żmije czy pytony widzą świat zarówno w niektórych kolorach, jak i w podczerwieni. Mimo że czujniki podczerwieni u węży są bardzo małe, są one co najmniej kilka razy bardziej czułe od najlepszych czujników podczerwieni zbudowanych przez człowieka.

Naukowcy, badając geny odpowiedzialne za postrzeganie barw, dowiedli, że istnieją cztery fotopigmentowe opsyny u ptaków, ryb i gadów. Oznacza to, że wspólny, pradawny przodek owodniowców i czworonogów widział tetrochromatycznie (dostrzegał cztery długości fal i widział w szerokim zakresie kolorów mieszanych). Obecnie jednak większość ssaków widzi dwubarwnie. Jest to prawdopodobnie pozostałość po pierwszych przodkach. Większość naczelnych wypracowała natomiast ponownie dostrzeganie trójbarwne kolorów.

Niemniej w królestwie zwierząt liczba rodzajów koloroczułych komórek w oczach może być zarówno większa, jak i mniejsza niż u ludzi. Niektóre stworzenia widzą odcienie, barwy i światło których my nie możemy sobie nawet wyobrazić i które są spoza naszego spektrum dostrzegania kolorów.