Modelul aditiv şi modelul substractiv de culoare

De la Capisci

Modelul aditiv de culoare şi modelul substractiv de culoare sunt cele două modele teoretice de combinare a culorilor pentru a ajunge la rezultate previzibile pentru sistemul de percepţie uman.

Descompunerea luminii albe printr-o prismă.
Imagine în domeniul public, creată de NASA (click pentru detalii).

Gândiţi-vă o secundă la mijloacele prin care percepem culoarea: lumina ajunge pe retina noastră şi stimulează celule fotosensibile pentru a crea senzaţia de culoare.^[1] Dacă lumina este cea care stimulează retina, hai să pornim de la lumină.

Modelul aditiv

Celulele fotosensibile de pe retina umană sunt de trei feluri, fiecare sensibilizate la lumină de o frecvenţă anume. Întâmplător, cele trei feluri de celule de pe retina umană sunt sensibile la lungimea de undă a luminii roşii, verzi şi respectiv albastre.^[2] Aşadar acestea sunt culorile primare în ceea ce priveşte lumina care ne ajunge la retină, iar acesta este un dat biologic constatat experimental – prin urmare nu putem identifica alte culori primare mai adecvate.^[3]

Este rezonabil (şi corect) să presupunem că dacă avem o sursă de lumină care poate emite toate cele trei culori primare în orice combinaţie putem manipula semnalele de intrare pentru a simula orice culoare dorim (vezi aplicaţia interactivă din dreapta). Dar să analizăm un pic felul în care am obţine aceste combinaţii. Am începe cu sursa de lumină stinsă, caz în care am obţine negru (dat fiind că dorim să analizăm o sursă de lumină presupunem că ne aflăm într-o cameră întunecată). Să spunem că am începe să aprindem componenta roşie a sursei noastre de lumină – am obţine un roşu închis, apoi pe măsură ce creştem intensitatea componentei roşii am obţine un roşu din ce în ce mai aprins. Odată ce am ajuns la cel mai pur roşu posibil, începem să aprindem componenta verde: culoarea pe care o percepem devine din ce în ce mai apropiată de portocaliu, apoi portocaliu, pe urmă un portocaliu gălbui, iar la sfârşit devine galbenă. Ce semnal trimitem în acest moment celulelor de pe retină? Celulele sensibile la roşu şi verde primesc maximul de semnal pe care-l pot primi, iar cele sensibile la albastru nu primesc nimic. Atunci când începem să aprindem şi componenta albastră a sursei noastre luminoase culoarea pe care o percepem e un galben din ce în ce mai spălăcit, până când în final devine alb – toate celulele de pe retină sunt saturate de semnal, iar rezultatul este perceput ca lumină albă.

Un lucru important de observat: am pornit de la „culoarea” neagră^[4], iar apoi am tot adăugat culori până când am ajuns în sfârşit la alb. Acesta este modelul aditiv de combinare a culorilor – culorile se tot adaugă una cu cealaltă. Modelul aditiv se mai numeşte şi modelul bazat pe lumină, fiindcă în acest model teoria analizează în mod direct lumina emisă şi captată de observator.

Modelul substractiv

Foarte frumos, celule, retină, surse de lumină şi aşa mai departe – dar ce se întâmplă când scriu pe o foaie de hârtie? În primul rând trebuie să observaţi că în acest caz lumina nu este emisă de foaie – nu puteţi citi o carte pe întuneric, vă trebuie o sursă externă de lumină. Nu pare că ar fi cine ştie ce diferenţă faţă de situaţia de mai sus, până ne dăm seama că pentru a citi nu vă uitaţi la lumină, ci la carte! Deci ceea ce ajunge la retina dumneavoastră este lumina reflectată de carte.

Obervăm deci prima diferenţă faţă de situaţia descrisă mai sus: în modelul aditiv, lipsa semnalului producea negru (atunci când sursa de lumină era stinsă). În cazul unei coli goale de hârtie, percepem alb. Ceea ce este perfect logic: în cazul hârtiei, lipsa de semnal este chiar „reflexia” curată a sursei de lumină, în măsura posibilului – hârtia e un mediu pasiv care nu poate adăuga lumină, aşa că lipsa de informaţie echivalează cu reflectarea uniformă a luminii incidente. Atunci când scriem sau desenăm pe coala de hârtie transmitem informaţie prin faptul că hârtia nu mai reflectă lumina – semnalul absoarbe lumină.^[5] Evident, acesta este exact opusul situaţiei de deasupra, unde semnalul echivalează cu creşterea cantităţii de lumină trimise către observator. Acesta este motivul pentru care mediile pasive precum hârtia folosesc modelul substractiv de culoare, sau modelul bazat pe pigmenţi – adăugarea de pigment scade cantitatea de lumină reflectată.^[6]

Însă cum funcţionează culorile în acest model? Am văzut că adăugarea de culoare scade cantitatea de lumină reflectată – fiind un model substractiv, am putea face o paralelă algebrică spunând că „adăugăm culori cu semnul minus”. Prin urmare, marea diferenţă dintre cele două modele este că în modelul bazat pe lumină, culorile secundare obţinute prin combinarea în mod egal a două culori primare sunt mai luminoase decât culorile primare folosite, în timp ce în modelul bazat pe pigment culorile secundare sunt mai întunecate decât culorile primare folosite. Prin urmare culorile primare din modelul substractiv trebuie să fie cele mai deschise culori pe care ne propunem să le obţinem. Acestea trebuie deci alese cu mare grijă, fiindcă altfel nu vom putea obţine unele culori, oricât ne-am strădui. Dar până să ajungem la asta, hai să analizăm cum anume se comportă de fapt culorile bazate pe pigment.

Să spunem că vrem să obţinem culoarea galbenă pe o foaie de hârtie. În modelul bazat pe lumină am văzut că pentru a obţine galben trebuie să aprindem simultan sursa roşie şi cea verde de lumină; dat fiind că lumina este cea care sensibilizează retina indiferent de situaţie înseamnă că şi în cazul pigmentului tot aceste componente trebuie să ajungă la noi. Aşadar pigmentul nostru galben trebuie să filtreze lumina albă incidentă în aşa fel încât lumina reflectată să fie formată în egală măsură din lumină roşie şi verde. Dar ştim deja din secţiunea anterioară că ceea ce percepem noi ca alb este combinaţia de roşu, verde şi albastru. Deci pentru a reflecta doar roşu şi verde, pigmentul galben trebuie să reţină în totalitate componenta albastră a luminii albe, reflectându-le pe celelalte două.

E lesne de extrapolat că un pigment albastru absoarbe componenta roşie şi pe cea verde, reflectând doar componenta albastră a luminii albe incidente. Aşadar atunci când combinăm pigment galben cu pigment albastru obţinem (roşu + verde + albastru) - (albastru) - (roşu + verde) = negru. Hei, stai o secundă, asta-i o prostie – ştiu de când eram copil că vopseaua albastră combinată cu vopsea galbenă dă vopsea verde, şi nicidecum neagră! Aşa este, însă motivul este legat de inexactitatea pigmenţilor şi nu de incorectitudinea teoriei – pe scurt, motivul este că cei doi pigmenţi reflectă o mică zonă comună a spectrului, zonă ce corespunde culorii verzi.^[7]

Culorile primare din modelul aditiv (liniile negre) şi culorile complementare (liniile gri).

Bun, acum că ştim cum funcţionează combinarea culorilor în modelul substractiv hai să ne gândim care ar fi culorile primare ideale. Ştim că atunci când adăugăm pigmenţi rezultatul net este că scădem lumină. Pe de altă parte culorile primare ideale trebuie alese în aşa fel încât să ne permită cel mai mare număr de combinaţii de culori cu putinţă. Singura soluţie posibilă este să alegem culorile primare pentru pigmenţi de aşa natură încât fiecare culoare primară să absoarbă câte una dintre componentele luminii, astfel încât celelalte două să rămână neatinse. Aşadar pigmenţii primari trebuie în mod necesar să fie complemenţii componentelor primare ale luminii! Prin urmare culorile primare pentru modelul substractiv sunt aproximariv azuriu, culoarea fucsinei şi galben.

Într-adevăr, azuriul absoarbe componenta roşie a luminii, lăsând să se reflecte componentele albastră şi verde. Dacă vrem să obţinem verde, n-avem decât să combinăm azuriul cu galben, care absoarbe şi componenta albastră, permiţând numai culorii verzi să se reflecte. Astfel, culorile primare din modelul aditiv sunt culori secundare în modelul substractiv şi viceversa.

Cum rămâne totuşi cu roşu, galben şi albastru? Teoria conform căreia roşul, galbenul şi albastrul ar fi culorile primare datează din secolele XVIII-XIX, când teoria culorilor se baza pe constatări empirice destul de neştiinţifice.^[8] Am văzut mai sus în ce fel s-a ajuns, în mod perfect logic, de la fiziologia ochiului uman şi până la culorile primare corecte pentru pigmenţi. Prin urmare teoria conform căreia culorile primare pentru pigmenţi sunt roşu, galben şi albastru este greşită şi nu ar trebui predată (sau, dacă se face un compromis din cauza materialelor didactice existente, ar trebui menţionată fără echivoc aproximarea făcută de dragul explicaţiei).

Aplicaţii practice

Aţi observat poate că am folosit termenii alternativi model bazat pe lumină şi model bazat pe pigmenţi, dar n-am inventat alţi „sinonimi” precum „model emitiv” şi „model reflectiv”, deşi pare că termenii ar fi interschimbabili. Nu ar fi. Modelul aditiv se aplică oricând avem de-a face în mod direct cu lumina, indiferent dacă ea este emisă sau receptată. Modelul substractiv se aplică oricând avem de-a face cu pigmenţi, indiferent dacă lumina este reflectată sau refractată^[9] – modelul substractiv se aplică atât la tipătituri pe hârtie cât şi la vitralii.

Astfel, modelul aditiv, bazat pe lumină, se foloseşte atât în situaţiile în care lumina este emisă (televizoare, monitoare, proiectoare, afişaje luminoase) cât şi atunci când este captată (aparate de fotografiat, scannere, telescoape, fotoreceptori biologici). Datorită culorilor primare folosite în acest model generic, cel mai frecvent utilizat model aditiv în practică este modelul RGB.

Pe de altă parte modelul substractiv, bazat pe pigmenţi, este utilizat în situaţiile în care există o sursă externă care iluminează pigmenţi de orice fel: tipărituri pe orice material opac sau transparent, vitralii, filtre fotografice şi chiar atunci când se studiază pigmenţii înşişi (cei folosiţi în industria alimentară, în construcţii, în industria cosmetică, în industria tipografică şi aşa mai departe). Din cauza unor compromisuri legate de reproducerea optimă a culorilor, cel mai frecvent model substractiv în practică este modelul CMYK.

Note

1. ↑ V-aţi întrebat vreodată ce fel de celule sunt alea fotosensibile de pe retină? Ştiţi probabil că informaţia din globul ocular este transmisă în creier prin nervul optic, deci pe undeva trebuie să fie un nerv. Ei bine, chiar celulele fotosensibile sunt nervi. Iar nervii sunt axoni prelungiţi. Iar axonii sunt partea lunguiaţă dintr-un neuron, cea prin care se transmite impulsul nervos prin neuron. Iar impulsul nervos este informaţia. Adică axonul, respectiv nervul este în esenţă un cablu de date. Celula fotosensibilă de pe retină este ca un cablu de date cu un senzor de lumină în capăt. Celulele fotosensibile care ne interesează în această serie nu se conectează direct la creier – informaţia trece prin mai multe sinapse (conexiuni), parcurgând câţiva nervi distincţi până să ajungă la nervul optic. La rândul lui, nervul optic este un cablu respectabil, cu diametrul minim de 1,5 mm – nu uitaţi că evoluţia a impus o formă extremă de miniaturizare, un cablu de date de trei ori mai gros decât o mină de 0,5 este ceva cu totul ieşit din comun. Şi dacă tot vorbim despre nervul optic, numele este impropriu: „nervul” optic este parte integrantă din sistemul nervos central, în timp ce nervii adevăraţi se conectează la o „magistrală” intermediară, sistemul nervos periferic (sistemul nervos central, SNC, este format din creier şi şira spinării; sistemul nervos periferic este reţeaua care aduce informaţia de la senzori la SNC şi respectiv invers, de la SNC la muşchi).
2. ↑ Prin urmare sistemul vizual al omului este tricolor. Alte animale au sisteme vizuale bicolore, tricolore, tetracolore şi există indicii că unele sunt chiar pentacolore. Evident că toată teoria culorilor aplicabilă la oameni nu face doi bani pentru acestea.
3. ↑ Evident, în tot articolul facem referire exclusiv la spectrul vizibil pentru om şi la percepţia vizuală umană. Ambele modele ar trebui ajustate semnificativ pentru alţi parametri de percepţie vizuală, dar asta nu face obiectul acestui articol, drept care astfel de excepţii teoretice nu vor mai fi menţionate în restul articolului.
4. ↑ Negrul nu este o culoare, aşa cum nici albul şi nici vreo nuanţă de gri nu sunt.
5. ↑ Însă ce se întâmplă cu lumina care nu este reflectată? Aceasta este absorbită de hârtie, care se încălzeşte. Acesta este motivul pentru care un obiect negru se încălzeşte mai repede decât unul alb: obiectul alb reflectă cea mai mare parte a luminii incidente, în timp ce obiectul negru absoarbe cea mai mare parte a luminii incidente. Exemplu practic: aţi văzut vreodată o unitate externă de aer condiţionat vopsită în negru?
6. ↑ Prin pigment înţelegem în acest context orice chestie care colorează un mediu pasiv. Prin mediu înţelegem orice chestie care este colorată. De exemplu (pigment) cerneală pe (mediu) hârtie; vopsea pe asfalt; cerneală tipografică pe hârtie de revistă; acuarelă pe hârtie; vopsea translucidă pe vitraliu; pigment alimentar pe alimentul de bază; pigment textil pe fibră textilă; vopsea pe tablă; pigment de culoare în vopseaua lavabilă, respectiv vopseaua lavabilă pe perete.
7. ↑ Spectrul vizibil se situează între 380 nm şi 750 nm. Lumina albastră se situează între 450–495 nm, iar lumina galbenă între 570–590 nm. Pigmentul albastru ar trebui deci în mod teoretic să absoarbă tot spectrul mai puţin plaja 450–495 nm, în timp ce pigmentul galben ar trebui să absoarbă tot spectrul mai puţin plaja 570–590 nm. Dar o filtrare atât de rigidă ar fi inutilă, aşa că pigmentul albastru reflectă în realitate o plajă relativ largă de lungimi de undă centrată în jur de 472 nm, iar pigmentul galben o plajă relativ largă centrată pe la 580 nm. Combinaţia celor doi pigmenţi chiar absoarbe toată lumina din spectrul vizibil mai puţin intersecţia celor două plaje reflectate de ambii pigmenţi, intersecţie care se află undeva în jurul valorii medii de 526 nm. Nuanţele de verde ocupă plaja dintre 495–570 nm, plajă al cărei centru se află la 532 nm. Conform acestui raţionament combinaţia dintre galben şi albastru ar trebui să producă un verde puţin albăstrui (intersecţia se află la o lungime puţin mai mică de undă decât verdele nominal, deci puţin spre albastru – vezi lungimea de undă a culorii albastre la începutul acestei note). Şi într-adevăr aşa se şi întâmplă – verdele rezultat din combinaţia celor doi pigmenţi nu este un verde pur, ci unul cu o uşoară tentă albastră.
8. ↑ Prima persoană care a sesizat conceptul de culori primare pe baze ştiinţifice a fost Sir Isaac Newton – nu tocmai o persoană despre care ai vrea să spui că a lucrat după ureche. Culmea e că bietul Newton e nevinovat: el a publicat o roată a culorilor bazată pe constatările sale legate de proprietăţile luminii. Lucrarea lui Newton a fost corectă, pentru că deşi nu înţelegea modelele aditiv şi substractiv, Newton nu s-a aventurat în a avansa vreo teorie legată de culorile sau combinarea culorilor bazată pe pigmenţi. Totuşi cititorii lucrărilor lui au interpretat greşit informaţiile legate de lumină şi le-au aplicat din neştiinţă şi la pigmenţi, producând teoria greşită conform căreia culorile primare pentru pigmenţi ar fi roşu, galben şi albastru.
9. ↑ Dacă vă amintiţi de la lecţia de optică, un obiect de o culoare dată absoarbe aceleaşi lungimi de undă indiferent dacă lumina este reflectată sau refractată – cu alte cuvinte indiferent dacă ne uităm la un obiect opac sau printr-un obiect transparent. Dacă vă uitaţi la un pahar cu bere, îl vedeţi galben; dacă vă uitaţi printr-un pahar cu bere vedeţi totul galben – în ambele situaţii berea a absorbit lungimile de undă corespunzătoare culorii albastre.