Субтрактивный синтез цвета

Субтрактивный синтез цвета — это способ получения широкого спектра цветов и оттенков путём вычитания (поглощения) определённых длин волн из белого света, проходящего через окрашенные среды или отражающегося от окрашенных поверхностей. В отличие от аддитивного синтеза, где цвета складываются из излучений разных источников, субтрактивный синтез основан на фильтрации уже существующего освещения. Основными цветами в этой модели являются голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и жёлтый (Yellow) — так называемая цветовая модель CMY. При смешивании красителей или пигментов, соответствующих этим цветам, происходит поглощение дополнительных (комплементарных) им участков спектра, что позволяет получать практически любые цвета, включая чёрный при идеальном смешении всех трёх.

Принцип действия

Субтрактивный синтез основан на физическом явлении избирательного поглощения света. Белый свет, падающий на окрашенную поверхность, содержит все длины волн видимого диапазона (от 380 до 780 нм). Краситель или пигмент поглощает (вычитает) определённые участки спектра и отражает или пропускает остальные. Цвет, который видит наблюдатель, определяется спектральным составом отражённого или прошедшего света.

Основные цвета субтрактивного синтеза

Основные цвета субтрактивной модели — голубой, пурпурный и жёлтый. Каждый из них поглощает одну из трёх основных составляющих белого света (красную, зелёную или синюю):

• Голубой (Cyan) — поглощает красный свет, отражает зелёный и синий.
• Пурпурный (Magenta) — поглощает зелёный свет, отражает красный и синий.
• Жёлтый (Yellow) — поглощает синий свет, отражает красный и зелёный.

При смешивании двух основных цветов происходит двойное вычитание. Например, смесь голубого и жёлтого (поглощение красного и синего) даёт зелёный цвет. Смесь пурпурного и жёлтого (поглощение зелёного и синего) даёт красный. Смесь голубого и пурпурного (поглощение красного и зелёного) даёт синий. При смешивании всех трёх цветов в идеале поглощаются все три компоненты белого света, и получается чёрный.

Отличие от аддитивного синтеза

В аддитивном синтезе (модель RGB) цвета получаются сложением света от трёх источников — красного, зелёного и синего. Смешение всех трёх даёт белый. В субтрактивном синтезе, напротив, смешение всех трёх основных цветов даёт чёрный, а белый получается при отсутствии красителей (на белой бумаге). Аддитивный синтез используется в мониторах, телевизорах и проекторах, где пиксели сами излучают свет. Субтрактивный синтез применяется в полиграфии, живописи, фотографии и текстильной промышленности, где цвета формируются за счёт отражения света от окрашенных поверхностей.

История

Идея субтрактивного синтеза цвета восходит к работам немецкого физика и физиолога Германа фон Гельмгольца, который в середине XIX века разработал трёхкомпонентную теорию цветового зрения. Однако практическое применение субтрактивного синтеза началось с развитием цветной фотографии и полиграфии.

Ранние эксперименты

Первые попытки получения цветных изображений с помощью субтрактивного метода предпринял шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1861 году. Он продемонстрировал цветную фотографию, используя три чёрно-белых негатива, снятых через красный, зелёный и синий фильтры. Хотя его метод был аддитивным (проекция трёх изображений через те же фильтры), он заложил основы для понимания цветоделения.

В 1868 году французский изобретатель Луи Дюко дю Орон получил патент на субтрактивный метод цветной фотографии. Он предложил делать три цветоделённых негатива, а затем изготавливать с них позитивы на прозрачных подложках, окрашенных в дополнительные цвета (голубой, пурпурный и жёлтый). При наложении этих позитивов получалось цветное изображение.

Развитие в полиграфии

Субтрактивный синтез стал основой современной полиграфии. В начале XX века была разработана технология цветной печати с использованием триадных красок (голубой, пурпурный, жёлтый). В 1906 году немецкий инженер Карл Климш запатентовал метод цветоделения с помощью растровых сеток, что позволило печатать цветные изображения на бумаге. Позднее к трём основным цветам добавили чёрный (Key), образовав модель CMYK. Чёрный цвет используется для улучшения контраста, передачи теней и экономии дорогих цветных красок.

Цветная фотография

В 1935 году компания Eastman Kodak выпустила плёнку Kodachrome, основанную на субтрактивном синтезе. В этой плёнке три слоя эмульсии, чувствительные к красному, зелёному и синему свету, после проявления окрашивались в дополнительные цвета. Kodachrome стала одной из самых популярных цветных фотоплёнок в мире. В 1936 году компания Agfa представила плёнку Agfacolor Neu, также использующую субтрактивный метод.

Применение

Субтрактивный синтез цвета широко применяется в различных областях, где требуется воспроизведение цветных изображений на физических носителях.

Полиграфия

Основной областью применения субтрактивного синтеза является полиграфия. Цветная печать книг, журналов, газет, упаковки и рекламной продукции выполняется по технологии CMYK. При печати на бумаге или других материалах используются четыре краски: голубая, пурпурная, жёлтая и чёрная. Для получения различных оттенков краски наносятся точками разного размера (растрирование), что позволяет создавать иллюзию непрерывных тонов.

Живопись и изобразительное искусство

Художники, работающие с гуашью, акварелью, масляными красками и другими материалами, интуитивно используют субтрактивный синтез. Смешивая пигменты разных цветов, они добиваются нужных оттенков. Например, смесь жёлтой и синей краски даёт зелёный, а смесь красной и синей — фиолетовый. В отличие от полиграфии, в живописи часто используются не только основные цвета CMY, но и множество других пигментов для расширения цветового охвата.

Цветная фотография и кинематограф

Субтрактивный синтез лежит в основе большинства цветных фотоплёнок и фотобумаг. В цветной фотографии изображение формируется из трёх слоёв, каждый из которых содержит краситель одного из дополнительных цветов. При проявлении и печати происходит вычитание определённых длин волн, что позволяет воспроизвести исходные цвета объекта. Аналогичный принцип используется в цветной киноплёнке.

Текстильная промышленность

При окрашивании тканей и печати на текстиле также применяется субтрактивный синтез. Красители, наносимые на ткань, поглощают часть спектра и отражают остальное, создавая цвет. Для получения сложных оттенков красители смешиваются в определённых пропорциях.

Цифровая печать и струйные принтеры

Современные струйные принтеры для домашнего и профессионального использования работают на основе субтрактивного синтеза. В картриджах обычно используются чернила голубого, пурпурного, жёлтого и чёрного цветов. Некоторые модели имеют дополнительные цвета (светло-голубой, светло-пурпурный, серый) для улучшения качества печати фотографий.

Недостатки и ограничения

Субтрактивный синтез имеет ряд ограничений, связанных с физическими свойствами красителей и пигментов:

• Несовершенство красителей. Реальные красители не поглощают свет идеально избирательно. Например, голубая краска может частично поглощать не только красный, но и зелёный свет, что приводит к искажению цветов. Это явление называется «цветовой паразитизм».
• Ограниченный цветовой охват. Набор цветов, которые можно получить субтрактивным синтезом, уже, чем у аддитивного синтеза или человеческого глаза. Особенно трудно воспроизвести яркие, насыщенные цвета, такие как чистый красный или зелёный.
• Зависимость от освещения. Цвет, воспринимаемый при субтрактивном синтезе, сильно зависит от спектрального состава источника света. При дневном свете и при искусственном освещении один и тот же объект может выглядеть по-разному. Это явление называется метамерией.
• Расход краски. Для получения чёрного цвета при смешивании голубого, пурпурного и жёлтого требуется много краски, что увеличивает стоимость и время высыхания. Поэтому в полиграфии используется отдельная чёрная краска.

Интересные факты

• В модели CMYK буква K означает «Key» (ключевой), а не «Black» (чёрный), чтобы избежать путаницы с синим (Blue) в модели RGB.
• Некоторые струйные принтеры используют до 12 различных цветов чернил для расширения цветового охвата и улучшения качества печати.
• В живописи субтрактивный синтез используется неосознанно с древних времён, но научное обоснование он получил только в XIX веке.
• При печати на прозрачных плёнках (например, для слайдов) субтрактивный синтез работает на просвет, а не на отражение, что даёт более насыщенные цвета.

Источники

• Гельмгольц Г. фон. О восприятии цвета. — 1867.
• Дюко дю Орон Л. Патент на цветную фотографию. — 1868.
• Климш К. Патент на цветоделение. — 1906.
• Хант Р. В. Г. Воспроизведение цвета. — 6-е изд. — Wiley, 2004.
• Шашлов А. Б. Цвет и цветовоспроизведение. — М.: Книга, 1986.
• Фёдоров М. В. Основы полиграфического производства. — М.: Искусство, 1991.