Роль цвета в быту и в трудовой деятельности

Человек, как и все живые существа, воспринимает внешний мир посредством органов чувств. С помощью зрения человек получает основной объем (до 90—95 %) информации. Посредством зрения мы определяем форму предметов, объем и глубину пространства, количественную и качественную характеристики излучения (испускаемого и отраженного). Способность человека оценивать качество излучения есть результат его продолжительного взаимодействия с природой, длительного развития органа зрения.

Окружающий мир предстает перед человеком в безграничном многообразии цвета, вызывая при этом различные состояния и эмоции. Цвет способен изменять настроение человека, рождать у него ощущение бодрости или угнетения, радости или печали, может усиливать ощущение тяжести, зрительно изменять пропорции и размеры пространства и предметов, влиять на ощущение тепла и холода и т. д. Цвет оказывает эмоциональное воздействие, и художественный подход к нему длительное время был ведущим. Природу цвета пытались объяснить с древних времен, однако до 60-х годов XVII в. эти попытки рождали самые неправдоподобные теории.

Важный вклад в пауку о цвете был сделан II. Ньютоном и М. В. Ломоносовым, позже Г. Гельмгольцем, Д. Максвеллом и др. Научные знания в области физиологии восприятия цвета достигли высокого уровня в начале XX в. Технический прогресс, повышение скорости и точности в работе обусловили стремление использовать цвет как средство частичной компенсации затраченной нервной энергии, как средство интенсификации труда. Чисто утилитарное отношение к цвету привело к появлению в США в 20—30-х годах теории динамичного цвета, вошедшей в общую теорию «гуманизации» производства по Тейлору, согласно которой промышленный интерьер должен держать рабочего в состоянии постоянного напряжения, стимулируя производительность труда.

Практическая реализация этой теории привела к появлению теории оптимальных цветов. Наиболее точное экспериментальное подтверждение оптимальности цветов середины спектра принадлежит советскому ученому профессору Е. Б. Рабкину. Правда, узкофизиологический подход к определению оптимальных цветов не решал целого ряда психологических задач. Более поздние взгляды на использование цвета учитывали как физиологические особенности цветового восприятия, так и психологические возможности человека, требования соразмерности цветовых сочетаний.

При создании оптимальной цветовой среды обитания человека должны учитываться ее назначение, естественное природное окружение, психофизиологическое воздействие цвета, решаемые эстетические задачи. Правильное использование цвета, создание оптимального цветового климата позволяет существенно улучшать предметно пространственную среду в быту и на производстве, создавать максимальные удобства для труда, быта и отдыха.

На производстве цвет служит важным средством функциональной организации среды. Его основное назначение — улучшение условий зрительной работы, компенсация неблагоприятного влияния среды на человека. Однако необходимо иметь в виду, что критерием оценки цветового решения производственной среды служит художественное начало, т. е. в целом эстетическая значимость цветового решения достигается при единстве функционального и художественного начал.

Характеристика цвета. Цвет — это результат физиологического воздействия на сетчатку глаза световых волн (электромагнитного излучения). Видимые электромагнитные излучения с длиной волны 380— 770 нм человеческим глазом воспринимаются как свет и различаются между собой спектральным составом. Каждому из основных цветов видимой части спектра соответствует определенная длина волны (по Е. Б. Рабкину): красному — 760—620 нм, оранжевому — 600—590, желтому — 580—570, зеленому — 550—520, голубому - 500—485, синему — 485—470, фиолетовому — 440—380 нм.

Восприятие предметов как цветных зависит от их способности к отражению световых лучей. По этому признаку окрашенные поверхности подразделяются на две группы: ахроматические и хроматические.

При дневном освещении снега, гипса, алебастра, черного бархата, разбавленной в воде туши и других тел и сред их поверхности дают неизбирательное отражение света. Спектральные коэффициенты отражения монохроматических (т. е. одноцветных) излучений видимой части спектра для таких поверхностей практически равны между собой. Поверхности с неизбирательным отражением называются ахроматическими. К ним относятся белые и черные, а также все серые, являющиеся промежуточными. Они отличаются лишь светлотой.

Светлота — результат зрительного ощущения, характеризуется отношением отраженного светового потока к падающему и оценивается коэффициентом отражения r. Чем больше r, тем более светлой кажется поверхность.

Коэффициент отражения определяет соотношение световых потоков, но не показывает их распределения в пространство. Отраженный световой поток зависит от интенсивности источника освещения и свойств поверхности. Он фиксируется глазом человека, вызывает световое раздражение и определяет яркость поверхности. За единицу яркости поверхностей принята кандела на квадратный метр (кд/м²), характеризующая яркость светящейся поверхности площадью 1 м² при силе света 1 кд.

Между понятиями яркости и светлоты часто не делают различия, хотя они отражают различные явления. Свет, действуя на глаз, вызывает раздражение сетчатки, которое передается в зрительные нервы и затем в мозг, вызывая ощущение света. Светлота определяет интенсивность светового ощущения. Однако замерить ее невозможно, так как она относится к разряду психологических явлений. Яркость же определяет интенсивность светового раздражения, есть величина объективная, и ее можно измерить прибором. Таким образом, светлота есть мера ощущения яркости.

Яркость поверхности В находится в прямой зависимости от освещенности Е (лк) и коэффициента яркости r_а:

Коэффициент яркости есть отношение яркости освещенной поверхности Ва в данном направлении к яркости идеально рассеивающей свет поверхности Ви.р, находящейся в тех же условиях:

В природе поверхностей, идеально рассеивающих свет, не существует. Наибольшие коэффициенты яркости имеют поверхности углекислого магния (r_а= 0,96— 0,99) и сернокислого бария (r_а = 0,95— 0,97), используемые в качестве эталонов. Наименьший коэффициент яркости у черного бархата, r_а= =0,03.

Человек воспринимает в основном отраженный свет. Восприятие цветных поверхностей обусловлено избирательным отражением и поглощением ими световых лучей. Такие поверхности называются хроматическими или цветными. Например, красная поверхность отражает красные лучи, меньше оранжевые и желтые, а остальные почти полностью поглощает, т. р. цвет поверхности зависит от того, какие монохроматические лучи она в основном отражает. Хроматические поверхности характеризуются тоном, насыщенностью и светлотой.

Рис. 6.1. Кривые спектральной чувствительности:

а – КЗС-приемников; б – палочек (1) и совокупности колбочек (2)

Цветовой тон определяется длиной волны l, которая соответствует преобладающему монохроматическому излучению, и является основной характеристикой цвета. Между цветовым тоном и длиной волны однородного излучения существует связь, подобная связи между светлотой и яркостью.

Насыщенность, являющаяся свойством зрительного восприятия, характеризуется чистотой Р, т. е. долей монохроматического цвета в смеси с белым при постоянной яркости смеси. Иначе ее можно характеризовать степенью разбавленности чистого хроматического цвета белым. Чистота цвета выражается через объективный показатель — яркость и поэтому так же является объективной характеристикой. Как ощущение яркости называется светлотой, так насыщенность цвета можно считать ощущением его чистоты.

В спектре разложения белого света доминирующими цветами являются красный, зеленый и синий, которые получили название основных. Путем смешения этих трех взаимонезависимых цветов, взятых в определенных пропорциях, можно получить все цвета.

Свет попадает в глаз через зрачок и с помощью глазной линзы, т. е. хрусталика, фокусируется на сетчатке — внутренней светочувствительной поверхности глаза. Последний слой ее состоит из светочувствительных клеток — колбочек и палочек. Светочувствительные вещества палочек (родопсин) отличаются максимальным светопоглощением, иначе—максимальной чувствительностью к излучению при длине световой волны =510 нм, но они не чувствительны к цветам. Светочувствительные вещества колбочек (йодопсин) состоят из красно-, зелено- и синеощущающих (КЗС-приемников). Каждая из них имеет максимальную чувствительность соответственно в длинно-, средне- и коротковолновой зонах спектра. Относительные спектральные чувствительности КЗС-приемников показаны на рис. 6.1, а. Совокупность КЗС-приемников имеет максимальную чувствительность при =555 нм (рис. 6.1, б).

В сетчатке каждого глаза имеются около 130 млн. палочек и 6—7 млн. колбочек. Зрительный нерв имеет около 1 млн. нервных волокон. К каждому из них палочки присоединены целыми группами, а колбочки — по одной или несколько. В месте перехода зрительного нерва из сетчатки в глаз светочувствительные элементы отсутствуют (слепое пятно). Другой конец зрительного нерва находится в коре головного мозга.

В центре сетчатки имеется небольшое пятно — центральная ямка, угловой размер которой всего 1,5°. При внимательном рассматривании предмета хрусталик устанавливается в такое положение, чтобы изображение приходилось на центральную ямку. В этом случае оно наиболее четкое.

В центральной ямке имеются лишь колбочки. К ней примыкает так называемое желтое пятно (угловой размер 6—8°), содержащее колбочки и палочки. Оно обеспечивает относительно четкое изображение К периферии концентрация колбочек резко уменьшается, а палочек увеличивается.

Наш глаз, таким образом, является оптической системой, позволяющей различать предметы под большим углом. Однако центральная ямка сетчатки дает четкое изображение, а периферийная часть — только контурное.

Глаз человека отличается высокой чувствительностью и большим ее диапазоном. Максимальный лучистый поток, который способен выдержать глаз, в 1000 млрд. раз превышает минимальный порог чувствительности.

При попадании света в глаз светочувствительное вещество палочек и колбочек распадается на положительные и отрицательные ионы, и когда концентрация их, т. е. электрический заряд, достигает определенного значения, по нервным волокнам в мозг передаются электрические импульсы, воспринимаемые как свет, цвет, контраст и т. д.

Распад родопсина в палочках идет интенсивно уже при малых яркостях. При яркости 0,1 кд/м² (яркость белой поверхности при полной луне равна 0,07 кд/м²) распад происходит быстрее, чем восстановление, которое, как правило, идет медленно. Поэтому при яркости в несколько кандел на квадратный метр палочки «ослеплены» и не участвуют в зрении. Чувствительность колбочек значительно меньше, чем палочек, а восстановление йодопсина в них идет быстро. Поэтому при малых яркостях в зрении участвуют палочки (ночное зрение), а при больших — колбочки (дневное зрение). В результате при ночном зрении все цвета нам кажутся серыми.

Переход от палочкового к колбочковому зрению и наоборот происходит постепенно. Так, при выходе днем из темного помещения на улицу зрачок автоматически уменьшается до минимальных размеров (примерно от 8 до 2 мм), и при ярком освещении, пока идет приспособление глаза, человек 2—3 мин испытывает болезненные ощущения. При переходе из ярко освещенного в темное помещение первое время мы вообще ничего не видим. Через 5—10 мин, когда зрачок увеличивается до максимальных размеров, начинаем различать предметы, и лишь после длительного, до часа, пребывания приспосабливаемся к темноте. Разница в продолжительности приспособления к большой яркости и к темноте показывает разницу во времени восстановления светочувствительного вещества соответственно в колбочках и палочках.

Причиной цветового зрения, таким образом, является наличие в глазу трех групп колбочек. В зависимости от соотношения попадаемых в глаз световых потоков мы ощущаем тот или иной цвет. Если попадает только красный свет, на него реагируют красно-ощущающие колбочки, и мы видим такой цвет. На зеленый свет реагирует своя группа колбочек. При равном возбуждении КЗС-приемников мы ощущаем ахроматический цвет, так как именно он образуется при сложении красных, зеленых и синих лучей. При неравном возбуждении ощущается какой-либо хроматический цвет.

При смешении двух ахроматических цветов получается такой же, но с другой яркостью. Если смешиваются два чистых спектральных цвета, то результирующий получается уже с меньшей чистотой. Например, смешение зеленого цвета ( =540 нм, P_i =100 %) с синим =470 нм, P₂=100%) дает голубой цвет ( =498 нм, Р=63 %). Но если смешиваются чистые цвета со значением в пределах 575—700 нм, то их результирующий получается также чистым.

Установлено, что определенные пары хроматических цветов при смешении в соответствующих пропорциях образуют ахроматические цвета. Такие два цвета называют дополнительными. Например, для синего цвета с =450 нм дополнительным является желто-зеленый с =570 нм, для красного с =680 нм—голубой цвет с =495 нм и т. д.

Способы получения цветов подразделяются на два основных вида — аддитивный и субтрактивный.

При аддитивном, т. е. слагательном способе, излучения трех основных цветов направляются на одно место сетчатки и создают ощущение того или иного цвета. При субтрактивном способе из белого света вычитается один или несколько спектральных цветов таким образом, чтобы оставшиеся дали необходимый Например, требуется получить желтый цвет. На пути белого света ставится светофильтр, пропускающий красные и зеленые лучи и поглощающий синие. Для получения красного цвета из белого света необходимо вычесть зеленый и синий. Если два цвета являются дополнительными, то вычитая из белого один из них, получим другой. Субтрактивный, т. е. вычитательный, способ образования цветов широко применяется при получении красок, в цветном кино, цветной фотографии.

Человеческий глаз способен различать огромное количество цветов и оттенков. Только по цветовому тону пороговых различий (т. е. минимальной разности длин волн, при которой цвета становятся различимыми) 130, а вместе с пурпурными цветами —150. Каждый цвет различается также по насыщенности и светлоте, и общее число возможных цветов, оттенков, которые различает человек, достигает несколько десятков тысяч. Это обусловливает необходимость точной количественной оценки цветов, чем занимается раздел экспериментальной оптики, называемый колориметрией (от лат. color — цвет и греч. metreo — меряю).

Для определения цвета, которое необходимо в самых разнообразных областях техники, существуют приборы, называемые колориметрами. Зрительные колориметры (аддитивные и субстрактивные) основаны на глазомерном уравнивании цвета двух расположенных рядом полей сравнения. В фотоэлектрических колориметрах эту функцию выполняют фотоэлементы.

Применяются также упрощенные способы определения цветов с помощью соответствующих атласов. К определяемому цвету подбирается наиболее близкая накраска из атласа. Каждая накраска имеет характеристики — цветовой тон, чистоту и коэффициент отражения. Цветовые атласы издаются с XVIII в и получили широкое распространение. Одним из наиболее оригинальных атласов является изданный в 1956 г. проф Е. Б. Рабкиным. Он дает не только характеристики , Р, приводимых цветовых тонов, но и коэффициенты цветности в системе XYZ, принятой в 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО).

Как уже было отмечено, любой цвет может быть получен смещением трех основных цветов. Поэтому его можно характеризовать тремя числами — координатами цвета, т. е. выразить математически в виде цветового уравнения

где С — произвольный цвет, представляющий соединение основных; X, Y, Z — основные единичные цвета; x₁, y₁, z₁— цветовые коэффициенты, покапывающие, сколько надо взять единиц каждого из основных цветов, чтобы получить искомый цвет С.

В принятой МКО системе цветов основным цветам X, Y, Z соответствуют излучения: =700 нм (красный), =546,1 нм (зеленый) и =435,8 нм (фиолетовый). Эти цвета приняты за основные, потому что при смешении охватывают практически все оттенки, т.е. могут быть точно определены опытным путем.

На практике часто требуется определить лишь качественную характеристику цвета — его цветность (совокупность цветового тона и насыщенности). Цветность удобнее оценивать через относительные цветовые коэффициенты:

Отсюда следует

Цветовое уравнение с использованием относительных цветовых коэффициентов (координатов цветности) имеет вид:

а с учетом уравнения (4.2)

C=xX+yY+(1-x-y)Z

Любой цвет выражается, таким образом, тремя цветовыми координатами, а цветность — любыми двумя координатами цветности при определенных основных цветах X, Y, Z. Эта особенность позволяет изобразить любую цветность в виде точки в прямоугольной системе координат XY и получить диаграмму цветности, которая связывает коэффициенты х и у с цветовым тоном и насыщенностью относительно белого цвета.

На диаграмме цветности (рис. 6.2) по осям абсцисс и ординат отложены соответственно значения относительных цветовых коэффициентов.

Рис.6.2 Диаграмма цветности

На внешней кривой отмечены все цвета видимого участка спектра с длиной волны 400—700 нм. Разрыв между красными и фиолетовыми цветами заполняют пурпурные. Так как они в спектpe отсутствуют, то обозначены длинами волн (со штрихом) тех спектральных цветов, к которым являются дополнительными.

Точка Е в середине графика соответствует белому цвету (Р=0). На прямых линиях, соединяющих ее с внешней кривой, располагаются цвета с одинаковой длиной волны, но разной насыщенности. Эти линии пересекают кривые одинаковой насыщенности, которые соответствуют значениям ее от 0,1 до 1.

Определив для искомого цвета цветовые коэффициенты х_\, у₁, z_\, по формуле (3.1) можно рассчитать цветовые коэффициенты х, у, z. Откладывая на диаграмме цветности значения х и у, находим точку, которая соответствует искомой цветности. Из точки Е через полученную точку проводится прямая до пересечения с внешней кривой. В этом месте пересечения определяется цветовой тон l, а по кривым равной чистоты — значение чистоты Р. По диаграмме цветности можно определить также дополнительные цвета, которые располагаются на граничной кривой в точках пересечения ее с прямой, проведенной через точку Е.