Как свет объединяется, чтобы создавать новые цвета?

Восприятие цвета является полностью биологической (и психологической) реакцией. Комбинация красного и зеленого света выглядит неотличимой для человеческого глаза от определенных длин волн желтого света, но это потому, что у человеческих глаз есть определенные типы цветных фоторецепторов. То же самое не будет верно для других видов.

Разумная модель цвета состоит в том, что глаз воспринимает перекрытие спектра длин волн входящего света в зависимости от функции отклика трех типов фоторецепторов, которые в основном выглядят следующим образом:

^{Источник изображения}

Если у света есть два острых пика на зеленом и красном, вывод состоит в том, что и М-, и L-рецепторы стимулируются в равной степени, поэтому мозг интерпретирует это как «ну, тогда свет должен был быть посередине». . Но, конечно, если бы у нас был дополнительный рецептор посередине, мы смогли бы заметить разницу.

В вашем вопросе есть еще два довольно интересных момента:

каждый цвет в пределах видимого спектра можно каким-то образом создать, «сочетая» три цвета разной интенсивности.

Это неверно. Существует значительная часть цветового пространства, недоступная для комбинаций RGB. Основной инструмент для отображения этого называется графиком цветности, который выглядит следующим образом:

^{Источник изображения}

Цвета чистой длины волны находятся на изогнутом внешнем крае, помеченном их длиной волны в нанометрах. Основной стандарт, который стремятся отображать комбинированные устройства RGB, — это те, которые находятся внутри треугольника, отмеченного sRGB; в зависимости от устройства он может не соответствовать или выйти за рамки этого и покрыть больший треугольник (и если этот больший треугольник достаточно велик, чтобы покрыть, скажем, значительную часть пространства Adobe RGB , то он обычно рекламируется на видном месте) но это все еще часть общего цветового пространства, доступного человеческому зрению.

(Предупреждающее примечание: если вы видите графики цветности на устройстве с экраном RGB, то цвета за пределами отображаемого пространства вашего устройства не будут отображаться должным образом, и они будут казаться более плоскими, чем фактические цвета, которые они представляют. разницы, возьмите призму и источник белого света, сформируйте полный спектр и сравните его с краем диаграммы, отображаемой на вашем устройстве.)

Является ли RGB единственным таким триплетом?

Нет. Существует множество возможных числовых триплетов для кодирования цвета, известных как цветовые пространства , каждый со своими преимуществами и недостатками. Некоторыми распространенными альтернативами RGB являются CMYK (голубой-пурпурный-желтый-черный), HSV (значение оттенка-насыщенности) и HSL (оттенок-насыщенность-яркость), но есть и более экзотические варианты, такие как пространства CIE XYZ и LAB . . В зависимости от своих диапазонов они могут быть перекодировками цветового пространства RGB (или совпадать с перекодировками RGB в частях своих доменов), но некоторые цветовые пространства используют отдельные подходы к восприятию цвета (т. е. они могут быть аддитивными , например RGB, вычитание , например CMYK, или нелинейное перекодирование цвета, например XYZ или HSV).

В сетчатке глаза есть три типа колбочек, которые действуют как фильтры на рисунке и охватывают довольно широкие полосы частот.

Там вы можете увидеть, что чистый желтый свет будет стимулировать как «красные», так и «зеленые» колбочки.

Таким образом, получая свет от соседних пикселей красного и зеленого цветов, колбочки сетчатки будут реагировать так же, как и от чистого желтого цвета, если сочетание правильное.

Так что это во многом биологическая вещь. Обратите внимание, что длина волны, которая стимулирует зеленую колбочку, также будет стимулировать по крайней мере одну из красных и синих колбочек. Таким образом, мы могли бы представить себе искусственную стимуляцию только зеленых колбочек (электродами) и тогда могли бы увидеть так называемый невозможный цвет.

Что касается альтернатив RGB, да, есть другие цветовые пространства , которые можно использовать для аналогичного смешивания всех возможных цветов (как определяется сетчаткой глаза человека).

Обратите внимание, что экраны RGB обычно не могут воспроизводить все цвета. На изображении ниже показан треугольник ограничения на типичном экране. Профессиональные экраны, как правило, покрывают больше, но редко все цвета.

Другие ответы Бернандера и Эмилио Писанти уже объясняют, как глаза улавливают свет и преобразуют его в электрические импульсы. Есть еще несколько вещей, которые нужно понять. Мой ответ будет сосредоточен в основном на вопросе 1, поскольку вопрос 2 уже полностью раскрыт.

Свет представляет собой комбинацию нескольких длин волн

Если взять любой свет, то на самом деле это электромагнитная волна (здесь я упрощаю, но иначе мы ничего не добьемся). Проблема в том, что вряд ли найдется источник света, излучающий только одну длину волны (лазер). Таким образом, свет представляет собой комбинацию множества различных длин волн. Чтобы увидеть это, вам нужно использовать призму, которая разделяет световой луч на каждую из длин волн отдельно. По сути, именно поэтому мы видим радугу — капли воды работают как естественные призмы, а солнечный свет представляет собой комбинацию (почти) всех видимых длин волн.

Если вы используете более одного источника света, на каждой из длин волн у вас будет сумма света, исходящего от каждого из источников. Другими словами, если мы представим три лазера, красный, зеленый и синий, каждый из которых излучает ровно одну длину волны, если мы пересечем их лучи в одной точке и поместим там экран, это будет единственная точка, освещенная этими тремя длинами волн на в то же время. Мы не увидим там три цвета, это будет просто одно пятно с одним цветом. Какого цвета он будет? Я вернусь к этому позже.

Глазные рецепторы улавливают только свет (и его силу)

Это сложно. На сетчатке глаза есть в основном 4 типа рецепторов. Один (палочки) отвечает за распознавание любой видимой (1) длины волны, а три отвечают за обнаружение света только в части видимого диапазона длин волн. Они сильнее реагируют на свет, длина волны которого близка к его оптимальной длине волны (которая зависит от типа рецептора/колбочки — красный, зеленый или синий, как уже объяснялось другими), и чем дальше длина волны света от этого оптимума, тем слабее излучение. реакция. Я буду игнорировать палочки, отвечающие за любой свет, поскольку они используются в основном, когда света недостаточно для работы трех других (колбочек) (поэтому мы видим все в оттенках серого в очень тусклом свете).

Рецепторы не могут сказать , какую длину волны они захватили. Если для одного рецептора есть только слабый луч своей оптимальной длины волны или сильный луч, но на границе того, что заметно - одиночный рецептор просто распознает примерно одинаковое количество света. И производить импульс для мозга.

Мозг решает, что делать с информацией

Это самая сложная часть. Очень, ОЧЕНЬ сложно . Дело в том, что мозг получает импульсы от разных рецепторов глаза и объединяет их. Основываясь на том, чему он научился в прошлом (он же опыт), он представляет вашему сознанию нечто, известное как цвет.

Если вы используете свет с одной длиной волны, ваши колбочки будут реагировать определенным образом. Таким образом, ваш разум может узнать (из радуги!!!) эти цвета. Теперь, если комбинация многих длин волн вызывает сходную реакцию конуса, разум не сможет понять, что было несколько длин волн, и просто покажет вам цвет, который он знает .от одноволнового света, который вызывает ту же реакцию колбочек. Итак, если комбинация сигналов, поступающих от глазных рецепторов, показывает, что есть немного красного и зеленого света (т. е. эти два типа колбочек производят сильный сигнал при воздействии некоторого света), но не много синего, тогда ваш разум интерпретирует, что должно быть что-то, что вы знаете как желтый цвет. . Обратите внимание: не имеет значения, был ли свет всего лишь лучом с одной длиной волны желтого цвета, одной единственной сильной длиной волны красного цвета и одной единственной сильной длиной волны зеленого цвета вместе взятыми, или это была комбинация многих длин волн, которые заставляли реагировать как зеленые, так и красные колбочки. У вашего разума всего 3 сигнала, и на их основе он должен сказать, какого он цвета.

Таким образом, если вы правильно сбалансируете три лазерных луча, упомянутых ранее, вы можете получить белую точку, но вы также можете получить, например, желтую точку. Или коричневая точка. Все зависит от того, как колбочки будут реагировать на каждую из используемых длин волн и насколько сильными будут реакции.

Примерно так работает RGB.

Сложность здесь заключается в том, что некоторые комбинации длин волн создают комбинацию откликов колбочек, которые отличаются от любых одноволновых световых откликов. Ваш ум все еще должен как-то интерпретировать его, чтобы представить его вам каким-то образом, отличным от любого цвета, существующего с физической точки зрения . Таким образом, мы можем видеть такие цвета, как коричневый или серый.

Что насчет этого опыта

Как уже упоминалось, основа заключается в том, что цвет, который вы увидите, будет соответствовать предыдущему опыту — если реакция колбочек на комбинацию нескольких длин волн аналогична известной реакции цвета с одной длиной волны, вы увидите этот цвет. Если нет, то вы увидите что-то еще (но опять же повторяющимся образом(2) - но читайте дальше).

Вы можете найти несколько оптических иллюзий, связанных с цветами или оттенками серого. Одним из известных недавних примеров, увиденных в Интернете, было платье на фотографии, которое некоторые интерпретировали как синее и черное при ярком свете, а другие - как белое и желтое в тени. Если вы пойдете в лес при очень тусклом свете, вы увидите листья слегка зелеными, даже если ваши шишки не получают достаточно света для работы, и все, что вы видите, это вообще немного света (поэтому немного серого). Но ваш разум знает , что листья должны быть зелеными, поэтому он как бы рисует их для вас. Если вы вернетесь позже при полном освещении, вы можете увидеть, что некоторые из этих зеленых листьев красные или желтые .. Но наш разум изо всех сил старался заполнить пробел и использовал опыт, чтобы добавить красок. Еще больше возиться с вещами, когда свет не белый - разум все еще использует опыт и адаптируется к свету (до определенного уровня) - поэтому зеленый цвет все равно будет выглядеть зеленым в красном свете заката.

Так почему RGB работает?

Проще говоря, свет, используемый в каждом из источников света, вызывает специфическую (до некоторой степени предсказуемую) реакцию колбочек, описанную выше. Поскольку он может производить большинство возможных реакций колбочек, в результате вы можете видеть большинство цветов на экране телевизора/монитора.

TL/DR

То, что вы видите, является комбинацией того, какой свет попадает в ваши глаза, как глаза создают из него электрические импульсы, достигающие мозга, и как мозг интерпретирует их на основе предыдущего опыта.

(1) мы называем его видимым, потому что наши глазные рецепторы способны его замечать. поэтому, возможно, следует сказать «некоторый диапазон длин волн, который мы называем видимым ». Опять же, есть некоторое упрощение — колбочки могут иметь немного более широкий охват длин волн, чем палочки. Также это может немного различаться у разных людей, но эти различия можно не принимать во внимание. С другой стороны, другие виды реагируют на разные диапазоны длин волн, например, у собак всего два типа колбочек, поэтому они, по существу, видят меньше цветов.

(2) это также интерпретируется так, что цвета, вызывающие лишь немного отличающуюся реакцию колбочек , кажутся очень похожими (оттенки)

Здесь работают и физика, и биология.

Основные физические свойства света

Первое, что нужно понять, это то, что у света есть свойство, известное как «длина волны», поскольку свет представляет собой электромагнитную волну. Длина волны — это расстояние между двумя гребнями этой электромагнитной волны. Как вы можете себе представить, расстояние чрезвычайно мало, обычно измеряется в нанометрах, по крайней мере, для видимого света (подробнее о том, что делает его видимым, чуть позже).

Базовая биология зрения

Между тем, в человеческом глазу есть специальные клетки, называемые «фоторецепторами», которые чувствительны к свету и запускают нервные клетки, чтобы послать сигнал в мозг, когда на них попадает свет. Больше света на них, сильнее сигнал (здесь немного упрощаю, для протокола). Однако фоторецепторы чувствительны только к свету с определенной длиной волны. Если свет имеет длину волны, к которой ни один из наших фоторецепторов не чувствителен, мы не можем его видеть, поэтому видимый свет — это только тот свет, для которого у нас есть фоторецепторы.

Спектр видимого света

На этом графике показаны различные типы света, которые мы распознаем в зависимости от его длины волны, с выделенными длинами волн, которые видны обычным людям:

^{( ЭМ-спектр из Википедии )}

Здесь важно отметить, что желтый цвет находится между красным и зеленым. Это ключевая часть того, почему смешивание красного и зеленого дает желтый цвет, но это еще не все. Это физическая реальность, о которой наша биология пытается рассказать нам, но то, как она это делает, играет большую роль.

Биология цветового зрения

Фоторецепторы человека делятся на две основные категории — палочки и колбочки, а затем колбочки, отвечающие за цвет (обычно ¹ ), делятся на три разновидности: наиболее чувствительные к красным длинам волн, наиболее чувствительные к зеленым длинам волн и наиболее чувствительные к зеленым волнам. до синих длин волн. Отсюда и RGB. Мы видим что-то красным, потому что, когда красный свет попадает на наши фоторецепторы, больше всего активируются чувствительные к красному цвету колбочки. То же самое с зеленым светом, активирующим наши зеленые колбочки.

Важно отметить, что чувствительность колбочек не имеет четкого определения; вместо этого они просто наиболее чувствительны к некоторому цвету, а затем становятся все менее чувствительными по мере удаления длины волны от этого цвета. И чувствительность разных колбочек перекрывается. Таким образом, даже при зеленом свете ваши синие и красные колбочки все еще активируются, но не так сильно, как зеленые.

Вот схема чувствительности фоторецепторов типичного человеческого глаза:

^{( Цветовая чувствительность Википедии )}

Желтый свет или красный и зеленый свет?

И именно так глаз может дать мозгу информацию о свете, который не является красным, зеленым или синим: если желтый свет попадает в глаз, активируются и красные, и зеленые колбочки. Мозг получает сигналы от красных и зеленых колбочек (и отсутствие или более слабый сигнал от синих колбочек) и интерпретирует это как «желтый», то есть свет с длиной волны между пиковой чувствительностью красные и зеленые конусы.

Но единственная информация, которую на самом деле получает мозг , это активация красных и зеленых колбочек. Это может быть из-за желтого света, но это также может быть просто красный и зеленый свет, попадающий в глаз одновременно. У мозга нет информации, необходимой ему, чтобы отличить друг от друга, поэтому он воспринимает эти две ситуации одинаково — как то, что мы называем «желтым». Вот почему вы можете выводить красный и зеленый (а не синий) и заставить глаз видеть желтый цвет, не имея на самом деле источника желтого света. И глаз делает это со всеми цветами; поскольку чувствительность колбочек перекрывается, всегда есть какая-то смесь сигналов, которые мозг объединяет в один цвет, обычно что-то вроде «среднего» среди них.

Красный и синий свет — определенно не зеленый

Важным исключением из этого «усреднения» (которое не является строго средним, с математической точки зрения) является случай, когда у вас активированы красные и синие колбочки, но зеленые колбочки не (так сильно) активированы. В отличие от ситуации с желтым светом, когда у мозга не было информации о том, видит ли он желтый свет или комбинацию красного и зеленого света, у мозга есть информация, говорящая ему, что зеленого света нет , потому что зеленые колбочки не видны. т как сильно активированный. Так что «усреднение» красного и синего для получения зеленого было бы совершенно неправильным — мозг знает, что это единственный цвет, которого нет.

Вместо этого мозг воспринимает сочетание красного и синего как пурпурный цвет, которого нет в реальном электромагнитном спектре. Ни одна длина волны света не кажется нам пурпурной: только сочетание синего и красного света может заставить нас воспринимать этот цвет.

RGB «универсальность»

Нет, RGB не универсален.

Во-первых, источники света комбинируются «аддитивно», то есть, если вы берете немного света и добавляете новый свет с другой длиной волны, новая длина волны добавляется к комбинации.

Однако красители комбинируются «негативно», то есть, когда вы смешиваете красители вместе, вы удаляете из них больше длин волн. Причина этого в том, что краситель поглощает часть света и отражает другие: белый свет — это то, как мы воспринимаем смесь всех видимых нами длин волн, поэтому, если белый свет падает на красную краску, синяя и зеленая длины волн удаляются, и отражается только красный. обратно на наш взгляд. Вот почему основные цвета, которые вы выучили в начальной школе, — это красный, синий и желтый ² , причем зеленый образуется путем смешивания синего и желтого вместе. Вот почему принтеры предпочитают использовать CMYK, а не RGB: Cyan-Magenta-Yelth — лучшее место для начала удаления длин волн, чем Red-Green-Blue (черный обрабатывается отдельно только потому, что черный цвет особенно важен при печати, и вы хотите сделать его отдельно). адействительно хороший черный , вместо того, чтобы пытаться использовать все ваши другие чернила, пытаясь, но безуспешно, удалить все длины волн).

Существуют и другие подходы к работе со светом, которые не имеют прямого отношения к длинам волн, а больше основаны на том, как вы хотите воспринимать свет. Оттенок, насыщенность и яркость, например, будут создавать цвета с определенной длиной волны или комбинацией длин волн, но числа не являются интенсивностью света с разными длинами волн, как для RGB или CMYK.

Наконец, ни один из них на самом деле не охватывает весь спектр цветов, которые может видеть человеческий глаз. Это потому, что естественный свет охватывает непрерывный спектр длин волн , то есть количество длин волн, скажем, в солнечном свете буквально неисчислимо3 ^.и наши фоторецепторы все еще в некоторой степени чувствительны к цветам вокруг их пиков, поэтому наши глаза могут улавливать некоторые из этих длин волн. RGB определяет сочетание всего трех длин волн с разной интенсивностью, и всегда будут цвета, которые вы не сможете получить с помощью всего трех длин волн. Вы можете добавить больше длин волн, но это означает больше независимых источников света, и у вас, конечно, никогда не будет бесконечно много их. Но три довольно хорошо; четырехцветные телевизоры не стали популярными именно по этой причине.

На этой диаграмме показаны цвета, которые вы можете получить с помощью типичной настройки RGB, с большой серой областью вокруг всех цветов, которые вы не можете получить.

^{( Википедия Гамма sRGB )}

Обратите внимание, что дуга вверху — это спектр монохроматических цветов, то есть свет, состоящий только из одной длины волны — спектры на приведенных выше диаграммах будут обернуты вокруг этой кривой. И пурпурный цвет образует большую часть линии, соединяющей два нижних конца кривой.

1. _{Дальтонизм возникает, когда некоторые из этих колбочек не работают или, по крайней мере, работают плохо. Также было несколько сообщений о людях с четырьмя типами колбочек . А у других видов могут быть совершенно другие наборы фоторецепторов с совершенно разной чувствительностью, что позволяет им воспринимать больше цветов, которые для нас выглядят одинаково, а также позволяет им воспринимать свет, который просто невидим для нас.}

2. _{Если, как и я, вы выучили основные цвета с помощью какой-то краски, это смешивание на самом деле сложнее, чем просто «негатив», но для младших школьников этого вполне достаточно. Для этого ответа я буду придерживаться красителей, которые физически ближе всего к простому отрицательному случаю.}

3. _{Во всяком случае, с практической точки зрения. Квантовая механика может предположить, что у всего света есть длина волны, кратная какому-то невероятно малому расстоянию, возможно, планковской длине, но это не то, для чего кто-то действительно разработал теорию, не говоря уже о том, чтобы показать это экспериментально.}

Свет представляет собой непрерывный спектр

Под «светом» я подразумеваю электромагнитную волну в космосе. Неважно, исходит ли он от источника света, фильтруется прозрачным/полупрозрачным объектом или отражается освещенной поверхностью; интерпретация цвета света такая же.

Длина волны света не ограничивается только красным, зеленым или синим цветом. Между ними возможно бесконечное число длин волн, поэтому мы говорим, что это «непрерывный» спектр. На самом деле длина волны может быть за пределами видимого нами диапазона; это просто делает его невидимым. Большая часть света на самом деле представляет собой смесь множества длин волн.

Мы можем видеть непрерывный спектр света, используя призму, дифракционную решетку или спектрофотометр.

Человеческое восприятие сводит цвет к трем значениям

Вместо того, чтобы обрабатывать бесконечное количество значений, человеческий глаз сводит цвет к трем значениям: красный ($r$), зеленый ($g$), и синий ($b$). Это делается колбочковыми клетками сетчатки глаза; каждый из них выглядит под микроскопом как красный, зеленый или синий. Красные колбочки обрабатывают красный свет, создавая сигнал$r$которая увеличивается с интенсивностью света. Они также реагируют на близкие длины волн, такие как оранжевый и желтый, но не так сильно, как на красные длины волн. Аналогичный процесс происходит для зеленых и синих колбочек. Реакции каждого набора колбочек на каждую из длин волн показаны на этом графике:

[ ]

Одна длина волны света

Предположим, вы включаете желтый светодиод с длиной волны 570 нм. Ваш спектрофотометр сообщает, что существует одна длина волны (*1) света, равная 570 нм.

Свет частично стимулирует красные колбочки вашего глаза, производя сигнал$r=9000$. (См. график ниже. Не беспокойтесь о единицах измерения, они произвольны.) Свет также стимулирует зеленые колбочки, производя$g=8000$. Они не стимулируют синие колбочки, поэтому$b=0$. Ваш мозг получает сигналы$(9000, 8000, 0)$и интерпретирует это как «желтый».

Две длины волны света

Теперь предположим, что экран вашего компьютера излучает желтый цвет, излучая вместе немного красного (600 нм) и немного зеленого (535 нм) света. Красный свет попадает на ваши красные колбочки, производя сигнал 6000. Но зеленый свет также производит некоторый сигнал на красные колбочки, скажем, 3000. Два сигнала складываются, чтобы произвести$r=6000+3000=9000$. Точно так же зеленый конус может производить сигнал 2500 от красного света и 5500 от зеленого света, поэтому$g=2500+5500=8000$. Ни один свет не стимулирует синюю колбочку, поэтому$b=0$.

Ваш мозг получает сигналы$(9000, 8000, 0)$и интерпретирует это как тот же желтый цвет , что и светодиод. Однако спектрофотометр измеряет свет с двумя разными длинами волн. Вы воспринимаете цвета одинаковыми, даже если они имеют разные спектры.

Обобщения

1. Это не единственный способ создать такое же восприятие. Я мог бы смешать красный 625 нм и зеленый 550 нм, чтобы получить такой же «желтый». Все, что нам нужно, это производить то же самое$(r,g,b)$сигналы, чтобы обмануть ваш мозг, заставив его думать, что это тот же цвет.

2. Вы можете сделать это с более чем двумя длинами волн и все равно получить такое же восприятие. Например, желтый звездный свет представляет собой комбинацию многих длин волн. С математикой сложнее, но можно.

3. Большая часть света, который мы видим, представляет собой непрерывный спектр. Вам понадобится исчисление, чтобы иметь дело с бесконечным числом длин волн, но расчеты могут быть выполнены.

4. С незапамятных времен люди практиковали искусство и науку обманывать себя, заставляя воспринимать различные цвета.

5. Несмотря на то, что вы не можете определить разницу между этими различными видами желтого света, спектрофотометр может определить разницу. Это не должно удивлять, учитывая, что ваши глаза сократили информацию о бесконечном числе длин волн всего до трех значений.

6. То, как животное воспринимает цвет, зависит от вида. Приматы (например, люди, другие обезьяны, обезьяны) имеют три колбочки: красную, зеленую и синюю. У других млекопитающих всего две колбочки: желтая и синяя. Таким образом, ваша кошка или собака не могут отличить красный или зеленый цвет друг от друга, не говоря уже о всех формах «желтого». С другой стороны, рептилии и птицы видят в четырех цветах. Вы не обманете своего питомца с помощью «желтого» светодиода и экрана компьютера!

(*1) Технически светодиоды создают узкий диапазон длин волн вокруг выбранного цвета, но это не имеет значения для данного обсуждения.

Это усреднение. У нас в глазах есть три вида цветовых детекторов (колбочек), спектральные чувствительности которых несколько перекрываются: в этой статье в Википедии есть картина спектральных откликов . Из этого вы можете видеть, что монохроматический (одноволновой) желтый свет заставит и красные, и зеленые колбочки «видеть» свет, и поэтому то, что мы интерпретируем как желтый, является просто комбинированным ответом этих двух клеток в соответствующих пропорциях.

Если вместо монохроматического желтого света мы пошлем в глаз подходящую смесь монохроматического красного и зеленого света, мы можем вызвать такой же ответ со стороны красных и зеленых колбочек (я думаю, вам нужно быть осторожным, чтобы зеленый не слишком короткая длина волны, иначе вы не сможете избежать срабатывания синих клеток). И глаз/мозг вообще не может различить эти два случая, поэтому мы также интерпретируем это как желтый цвет.

Ответ на вопрос, что делает «универсальный триплет», заключается в том, что он должен соответствовать цветовой чувствительности колбочек наших глаз. В нем нет ничего «универсального» в физическом смысле.