Χρώματα και Χρωματικά Μοντέλα

Υπάρχουν πολύ περισσότερα χρώματα από εκείνα που παρατηρούμε στο ουράνιο τόξο ή σε ένα πρίσμα που αναλύει το ηλιακό φως, όπως είναι π.χ. το χρυσό, το ασημί ή τα φωσφορίζοντα χρώματα που δεν υπάρχουν στο ορατό φάσμα. Συνεπώς, είναι αδύνατο να δώσουμε τον ακριβή ορισμό «τι είναι χρώμα» μόνο από τις περιόδους του μήκους κύματος της ΗΜ ακτινοβολίας, καθότι είναι φαινόμενο καθαρά εγκεφαλικό που σχετίζεται μόνο από υποκειμενικές παρατηρήσεις. Τα χρώματα είναι μία «κωδικοποίηση» του νευρικού συστήματος για να διακρίνει ο άνθρωπος τις ακτινοβολίες που προσπίπτουν στο αισθητήριο όργανο της όρασής του.

Στη Φύση, κάθε επιφάνεια έχει την ικανότητα να εκπέμπει πίσω στο περιβάλλον τη συχνότητα εκείνη του φωτός που την διεγείρει. Τα πέταλα ενός τριαντάφυλλου φαίνονται στον ήλιο ερυθρά, επειδή απορροφούν όλες τις συχνότητες του λευκού φωτός και επανεκπέμπουν στο περιβάλλον τη συχνότητα διέγερσής τους, δηλαδή το ερυθρό χρώμα. Αν το ίδιο τριαντάφυλλο φωτιστεί τώρα με το πράσινο φως ενός Laser, η εικόνα θα είναι μάλλον σκοτεινή, επειδή μέσα στην πράσινη ακτίνα δεν υπάρχουν συνιστώσες του ερυθρού.

Η απεικόνιση των χρωμάτων είτε πάνω στην παλέτα του ζωγράφου είτε σε μία εκτυπωτική εργασία είτε στην επεξεργασία μίας εικόνας στην οθόνη ενός Η/Υ δημιούργησε την ανάγκη της εφαρμογής των χρωματικών μοντέλων, μέσω των οποίων παρουσιάζεται το κάθε χρώμα στο συγκεκριμένο μέσο. Διακρίνουμε δύο κύρια μοντέλα: το μοντέλο RGB που στηρίζεται στην προσθετική μείξη και το CMY (ή CMYK) της αφαιρετικής μείξης των χρωμάτων. Προτού αναφερθούμε στα χρωματικά μοντέλα, θα μελετήσουμε την ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού σε χρωματικές αντιδράσεις.

  

Ανατομικό μοντέλο του ανθρώπινου ματιού

Η επιφάνεια που βρίσκεται στο εσωτερικό του ματιού ονομάζεται αμφιβληστροειδής χιτώνας και αποτελείται από δύο τύπους φωτοευαίσθητων κυττάρων: τα ραβδία που δρουν σαν δέκτες χαμηλού επιπέδου φωτεινότητας και τα κωνία που λειτουργούν σε υψηλά επίπεδα φωτεινότητας. Τα κωνία είναι ικανά να κάνουν διακρίσεις χρώματος, ενώ τα ραβδία δεν είναι. Αυτός είναι και ο λόγος που σε χαμηλά επίπεδα φωτισμού (σχεδόν σκοτάδι) όλα φαίνονται σαν γκρίζες αποχρώσεις και σκιές, αφού μόνο τα ραβδία είναι ευαίσθητα (τα κωνία επίσης λειτουργούν αλλά δεν προκύπτει ερέθισμα γι’ αυτά). Όταν η ένταση της ακτινοβολίας αυξάνει, ώστε και τα κωνία να «ερεθιστούν», το αποτέλεσμα είναι η έγχρωμη όραση.

Από ανατομικής άποψης έχει μελετηθεί ότι τα κωνία ενεργοποιούνται ως τρεις δέκτες φωτός, από τους οποίους καθένας είναι ευαίσθητος σε ευρείες περιοχές μηκών κύματος του ορατού φάσματος: του ερυθρού χρώματος (610nm), του πράσινου χρώματος (540nm) και του μπλε χρώματος (440nm). Τα χρώματα αυτά θεωρούνται βασικά για την όραση και κωδικοποιούνται με τα αρχικά λατινικά γράμματα L, M και S αντίστοιχα.

Οποιοδήποτε άλλο χρώμα, που αντιλαμβανόμαστε, οφείλεται στους συνδυασμούς των βασικών αυτών χρωμάτων. Έτσι, όταν στα μάτια μας προσπέσουν δύο ακτινοβολίες με διαφορετικά μήκη κύματος, η ανθρώπινη όραση συνθέτει τα χρώματα δημιουργώντας νέα. Π.χ., αν μια φωτεινή πηγή φαίνεται ότι εκπέμπει κίτρινο φως, μπορεί αυτή να έχει μήκη κύματος από 560–590nm ή να εκπέμπει ταυτόχρονα κόκκινες και πράσινες ακτινοβολίες που όταν συντεθούν μας δίνουν κίτρινο χρώμα. Συνεπώς, για την δημιουργία των χρωματικών αντιλήψεων δεν είναι απαραίτητα όλα τα μήκη κύματος, παρά μόνο ορισμένα, τα οποία καλούμε βασικά, και τα οποία όταν συντεθούν μας δίνουν τα υπόλοιπα.

Η εγκεφαλική διαδικασία της ανάλυσης των οπτικών ερεθισμάτων γίνεται ακόμη πιο πολύπλοκη αν λάβουμε υπόψη και άλλες παραμέτρους όπως είναι π.χ. η λαμπρότητα (brightness), η απόχρωση (hue) και η χρωματική καθαρότητα (saturation). Οι διαφορές σχετίζονται με τον τρόπο που παράγεται το φως στα μάτια μας. Το φως που βλέπουμε μπορεί να προέρχεται από μία οθόνη ηλεκτρονικού υπολογιστή, από ανάκλαση σε λευκή επιφάνεια ή όταν διέρχεται από κάποια έγχρωμη διαφάνεια. Κατά την εκπομπή του φωτός (π.χ. οθόνη) τα μήκη κύματος αθροίζονται για τη δημιουργία του χρωματικού αποτελέσματος, ενώ κατά την απορρόφηση του φωτός από τα υλικά αφαιρούνται.

Για την πλήρη κατανόηση της περιγραφής και αναπαραγωγής των χρωμάτων δημιουργήθηκαν τα χρωματικά μοντέλα, που χρησιμοποιούνται στην πράξη, τα οποία όμως αδυνατούν να αποδώσουν πιστά την αίσθηση των χρωμάτων, όπως την αντιλαμβάνεται το ανθρώπινο μάτι κοιτώντας τη φύση με τους ανεξάντλητους χρωματικούς συνδυασμούς της.

  

Χρωματικό μοντέλο RGB

Το χρωματικό μοντέλο RGB στηρίζεται στο μοντέλο ευαισθησίας LMS του ανθρώπινου ματιού και έχει ως βασικά χρώματα το ερυθρό (iR, Red), το πράσινο (iG, Green) και το μπλε (iB, Blue). Εκεί που τα βασικά χρώματα επικαλύπτονται ανά δύο δημιουργούν ένα νέο χρώμα, που καλείται δευτερεύον ή παράγωγο: το κυανό (Cyan) προέρχεται από την προσθετική μείξη του πρασίνου και μπλε, το μωβ ή ματζέντα (Magenta) μπλε και ερυθρού και το κίτρινο (Yellow) ερυθρού και πρασίνου. Ισχύουν οι σχέσεις:

iC = iG + iB = W – iR

iM = iB + iR = W – iG

iY = iR + iG = W – iB

όπου iC, iM και iY είναι τα χρώματα που προκύπτουν από το συνδυασμό των βασικών iB, iR και iG αντίστοιχα και W συμβολίζει το λευκό χρώμα που σχηματίζεται από ίσο ποσοστό μείξης των βασικών χρωμάτων:

W = iR + iG + iB

Τα iC, iM και iY προκύπτουν από το λευκό (W) αν αφαιρέσουμε ένα βασικό χρώμα. Για το λόγο αυτό καλούνται και αφαιρετικά χρώματα.

Η προσθετική μείξη δεν εφαρμόζεται στο συνδυασμό μόνο των βασικών χρωμάτων, αλλά και ενός βασικού με αντίστοιχο δευτερεύον δίνοντας ως αποτέλεσμα το λευκό. Από τις παραπάνω σχέσεις προκύπτουν οι ισότητες:

iC + iR = iM + iG = iY + iB =W

δηλαδή κυανό & ερυθρό ή μωβ & πράσινο ή κίτρινο & μπλε δίνουν λευκό. Δύο χρώματα που με την προσθετική τους μείξη δημιουργούν το λευκό καλούνται συμπληρωματικά χρώματα.

Η απόδοση των χρωμάτων στην οθόνη μίας τηλεόρασης ή ενός Η/Υ βασίζεται στο χρωματικό μοντέλο RGB. Βέβαια μία εικόνα πρέπει να είναι σε ψηφιακή μορφή, προκειμένου να την επεξεργαστεί ο Η/Υ. Για τον υπολογιστή επομένως, το χρώμα είναι ένα σύνολο αριθμών. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε τρεις αριθμούς, καθένας από τους οποίους αντιστοιχεί σε κατάλληλη αναλογία των τριών βασικών χρωμάτων. Οι αριθμοί αυτοί είναι ακέραιοι (από το 0 έως 255) και στηρίζονται στο μοντέλο των 8 bit, δηλαδή κάθε βασικό χρώμα έχει 28=256 αποχρώσεις.

  

Χρωματικό μοντέλο CMY

Το σύστημα CMY έχει ως κύρια χρώματα τα αφαιρετικά: κυανό (Cyan), μωβ (Magenta) και κίτρινο (Yellow). Ο τρόπος χρήσης των χρωμάτων CMY στην εκτύπωση έγχρωμων σελίδων είναι ακριβώς αντίθετος από εκείνον του RGB. Εδώ δεν έχουμε τη μαύρη οθόνη του Η/Υ (σε κάθε pixel αναπαράγεται το προσπίπτον φως), αλλά το λευκό χαρτί εκτύπωσης, όπου τα τυπογραφικά μελάνια φιλτράρουν τα χρώματα από το λευκό χαρτί και το χρώμα αναπαράγεται με την αφαιρετική μείξη. Έτσι για να παραχθεί κόκκινο συνδυάζεται το μωβ & κίτρινο, για πράσινο το κίτρινο & μπλε και για μπλε το κυανό & μωβ. Προκύπτει π.χ.:

iM + iY = (W-iG) + (W-iB) = W –(iG + iB) = iR

Ο συνδυασμός ανά δύο (αφαιρετικών) χρωμάτων CMY (σε ίσες αναλογίες) δίνει τη σειρά των (βασικών) χρωμάτων RGB: μωβ & κίτρινο για ερυθρό, κίτρινο & κυανό για πράσινο και κυανό & μωβ για μπλε. O συνδυασμός των τριών αφαιρετικών χρωμάτων παράγει το μαύρο:

iC + iM + iY = 0

Το μαύρο δεν θεωρείται χρώμα (συμβολίζεται συνήθως ως μηδέν) γιατί ορίζεται ως απουσία χρώματος ή ως πλήρης έλλειψης φωτός. Έχει όμως διαφορετικές ερμηνείες σε διάφορες εφαρμογές: (a) το στίγμα (pixel) μίας οθόνης Η/Υ είναι μαύρο, όταν δεν εκπέμπεται πάνω του φως, (b) στην εκτύπωση έντυπων έγχρωμων σελίδων, ο συνδυασμός των τριών αφαιρετικών χρωμάτων δίνει το μαύρο (σχέση [1.ε]), επειδή γίνεται πλήρης απορρόφηση του προσπίπτοντος φωτός. Μαύρο προκύπτει και από τη μείξη ενός βασικού και ενός αφαιρετικού χρώματος, ως προϊόν του συνδυασμού των υπόλοιπων δύο βασικών χρωμάτων, (c) σε καλλιτεχνικές απεικονίσεις το μαύρο προστίθεται για να κάνει εντονότερη την αντίθεση.

Επειδή τα κύρια αφαιρετικά χρώματα δεν είναι καθαρά, η υπέρθεσή τους δεν οδηγεί στην εκτύπωση ενός «καθαρού» μαύρου. Με σκοπό να υπερκεραστεί αυτό το πρόβλημα, το χρωματικό μοντέλο CMY αντικαθίσταται από το μοντέλο CMYK, στο οποίο έχει προστεθεί και ως τέταρτο «χρώμα» το μαύρο. Στις γραφικές τέχνες χρησιμοποιείται ευρέως το σύστημα CMYK, κυρίως για την τόνωση των αντιθέσεων.

  

Παράδειγμα 1: Στο σύστημα RGB κωδικοποιούνται όλοι οι δυνατοί χρωματικοί συνδυασμοί με τρεις αριθμούς, καθένας εκ των οποίων κυμαίνεται μεταξύ 0 και 255. Τα βασικά, τα δευτερεύοντα χρώματα και το λευκό αντιστοιχούν στους εξής κωδικούς: iR=255,0,0 iG=0,255,0 iB=0,0,255 iC=0,255,255 iM=255,0,255 iY=255,255,0 και W=255,255,255.

Παράδειγμα 2: Στο σύστημα CMY κωδικοποιούνται όλοι οι δυνατοί χρωματικοί συνδυασμοί με τέσσερις αριθμούς, καθένας εκ των οποίων κυμαίνεται μεταξύ 0 και 100. Τα βασικά χρώματα του RGB και τα αντίστοιχα αφαιρετικά έχουν τους εξής κωδικούς: iR=0,100,100,0 iG=100,0,100,0 iB=100,100,0,0 iC=100,0,0,0 iM=0,100,0,0 iY=0,0,100,0 το λευκό W=0,0,0,0 ενώ το μαύρο χαρακτηρίζεται από τον κωδικό 0,0,0,100.

  

Χρωματικό μοντέλο RYB

Τα ιδιαίτερα χρώματα των καλλιτεχνών της παραδοσιακής ζωγραφικής είναι το ερυθρό (Red), το κίτρινο (Yellow) και το μπλε (Blue), εκ των συνδυασμών των οποίων προκύπτει μία σειρά από δευτερογενή και τριτογενή χρώματα, όπως π.χ. το πορτοκαλί από το ερυθρό & κίτρινο, το πράσινο από το κίτρινο & μπλε και το μωβ από το μπλε & ερυθρό. Αυτά τα χρώματα (νερομπογιές) μαζί με το άσπρο και το μαύρο (εδώ θεωρείται χρώμα!) έχουν τη δυνατότητα να παράγουν όλους σχεδόν τους χρωματισμούς.

Το σύστημα RYB δεν μπορεί να θεωρηθεί πρότυπο χρωματικό μοντέλο, γιατί έχει αρκετούς περιορισμούς ως προς τον ορισμό του χρώματος. Οι κατασκευάστριες εταιρείες των χρωστικών ουσιών δεν έχουν υιοθετήσει ένα ενιαίο σύστημα ταυτοποίησης όλων των χρωμάτων, εξαιτίας των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας (πατέντες) που διέπουν τους χημικούς τύπους. Έτσι π.χ. το «ερυθρό» παρουσιάζει διαφορετικές αποχρώσεις από εταιρεία σε εταιρεία και, όταν αναμειχθεί με άλλο χρώμα, πιθανώς δεν θα δώσει το ίδιο αποτέλεσμα.

  

Άλλα χρωματικά μοντέλα

Υπάρχουν και άλλα ειδικά χρωματικά μοντέλα, τα οποία λαμβάνουν υπόψη τη φωτεινότητα του χρώματος, την απόχρωση και τη χρωματική καθαρότητα. Τέτοιου είδους μοντέλα είναι π.χ. το YIQ, CIELab, HSV, HIS, HLS κ.ά., η μελέτη των οποίων ξεφεύγει από τους σκοπούς του βιβλίου και ο αναγνώστης μπορεί να αναζητήσει σε ειδική βιβλιογραφία. Τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως στην ηλεκτρονική επεξεργασία μίας εικόνας με εφαρμογές στην τηλεόραση. Χρησιμοποιούν ως βασικό μοντέλο το σύστημα RGB και συνδέονται με αυτό μέσω ειδικών αλγορίθμων.

Διάγραμμα CIE, χρωματομετρία, χρωματογραφία

Η Διεθνής Επιτροπή Φωτισμού (Commission International de l’ Eclairage)  πρότεινε το 1931 ένα χρωματομετρικό σύστημα που σχεδιάστηκε για πρακτική χρήση στον καθορισμό και μέτρηση του χρώματος. Το σύστημα αυτό περιγράφεται από ένα είδος συντεταγμένων (x,y,z) που ορίζει την ποσοστιαία συμμετοχή των βασικών χρωμάτων (R,G,B) για τη σύνθεση οποιουδήποτε νέου χρώματος. Αν θεωρήσουμε την τρίτη μεταβλητή ως εξαρτημένη, τότε το τρισδιάστατο διάγραμμα μπορεί να υποβιβασθεί σε δισδιάστατο, δημιουργώντας έτσι το Διάγραμμα Χρωματικότητας ή Διάγραμμα CIE. Π.χ., για τη δημιουργία του λευκού είναι εμφανής η συμμετοχή δύο βασικών χρωμάτων κατά 33% (x?0.33, y?0.33), υπονοώντας ότι το υπόλοιπο ποσοστό (z?0.33) ανήκει στο μπλε (Β), έτσι ώστε να ισχύει η σχέση iR+iG+iB=1.

Στο Διάγραμμα CIE, τα χρώματα του ηλιακού φωτός παρέχονται στην περιφέρεια του διαγράμματος. Όλα τα υπόλοιπα, που βρίσκονται εντός του διαγράμματος, προέρχονται μόνο από την προσθετική μείξη δύο χρωμάτων του ηλιακού φάσματος. Έτσι, το λευκό μπορεί να δημιουργηθεί από τη μείξη των χρωμάτων (σημ: Ο προσδιορισμός του ζεύγους των χρωματικών τιμών γίνεται με γεωμετρική μέθοδο, φέρνοντας μια νοητή ευθεία που να διέρχεται από το σημείο W και να περατώνει στα άκρα της περιμέτρου του διαγράμματος. Τα σημεία τομής ορίζουν τις τιμές των μηκών κύματος), π.χ. λ=490nm και λ=600nm με χρωματικό τόνο 50% έκαστο. Με την τεχνική αυτή μπορούμε να δημιουργήσουμε πολλές «λευκές» συνθέσεις, καθώς επίσης και οποιαδήποτε άλλη χρωματική σύνθεση (σημ: η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή LEDs λευκού χρώματος. Εντός του λευκού πενταγώνου περικλείονται όλα τα δυνατά χρώματα εκπομπής που μπορούν να εκπέμψουν σήμερα τα LEDs).

Το φάσμα όλων των χρωμάτων που περιλαμβάνει το προσθετικό μοντέλο RGB, περικλείεται από τις πλευρές ενός νοητού τριγώνου, του οποίου οι κορυφές R και Β ταυτίζονται με τα ηλιακά μήκη κύματος 610nm και 470nm, ενώ η τρίτη κορυφή προσδιορίζεται γεωμετρικά με τη διερχόμενη ευθεία από το σημείο W και η οποία τέμνει την περίμετρο του διαγράμματος στην τιμή 536nm. Χρώματα που βρίσκονται εκτός του τριγώνου, δεν ανήκουν χρωματικά στο μοντέλο RGB.

Η Χρωματομετρία είναι η μελέτη του καθορισμού ενός χρώματος. Το όργανο το οποίο επιτρέπει στον παρατηρητή να ταιριάζει μία κηλίδα φωτός με το συνδυασμό των βασικών χρωμάτων καλείται χρωματόμετρο. Η μέτρηση του χρώματος και ιδιαίτερα οι διαβαθμίσεις των χρωματικών αποχρώσεων παίζουν σημαντικό ρόλο στη βιομηχανία. Ειδικότερα, οι βιομηχανίες βαφής και χρωμάτων χρησιμοποιούν τη χρωματογραφία για να πετύχουν επακριβή ανάμειξη των χρωστικών ουσιών και στην έρευνα νέων βελτιωμένων και ανεξίτηλων χρωστικών ουσιών. Το ίδιο και η βιομηχανία χάρτου και πολτού χρησιμοποιεί ευρύτατα μεθόδους ελέγχου ποιότητας των έγχρωμων προϊόντων της. Η βιομηχανία φωτισμού χρησιμοποιεί τη χρωματομετρία για την ανάπτυξη του τεχνητού φωτισμού και ειδικότερα τη βελτίωση νέων λαμπτήρων φθορισμού, που έχουν αποδεκτά χαρακτηριστικά απόδοσης.

Στη χρωματομετρία χρησιμοποιούμε τον όρο μη κορεσμένο υπονοώντας κάθε χρώμα που περιέχει κάποιο ποσοστό λευκού χρώματος. Αντίθετα, το χρώμα που δεν περιέχει ίχνος λευκού καλείται κορεσμένο. Η παρουσία ενός τουλάχιστον εκ των τριών βασικών χρωμάτων ή των αντίστοιχων δευτερευόντων τους δημιουργεί συνθήκες κορεσμού.

Η μείξη ενός βασικού χρώματος με κάποιο αφαιρετικό μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση του όρου «κορεσμένο χρώμα». Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, το βασικό χρώμα παραμένει σε σταθερή τιμή (iR=255), ενώ το αφαιρετικό μεταβάλλεται από iC=0–255.