Исследования цвета в XIX веке

 

Немецкий физик, врач, психолог, физиолог и акустик, изобретатель офтальмоскопа Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821-1894) сформулировал принцип сохранения энергии и невозможность существования «вечных двигателей» в возрасте 26 лет. Он подтвердил теорию Томаса Юнга по цветовому зрению, которая предполагала, что в глазу существует три основных элемента для восприятия цвета: красного, зеленого и синего. Все остальные цвета образуются там же, при взаимодействии этих элементов. В 1959 году теория была экспериментально подтверждена учеными из Гарвардского университета и университета Джонса Хопкинса. Они экспериментально установили, что в сетчатке глаза существует только три типа колбочек, которые чувствительны к электромагнитным волнам видимого спектра (Рисунок 32).

В 1860х года он издал «Руководство по физической оптике» (Handbuch der physiologischen Optik), где привел три главные цветовые характеристики: яркость, насыщенность и тон. Этими характеристиками мы описываем цвет и сегодня. Он проводил некоторую аналогию между акустическими и колористическими явлениями таким образом, что три цветовые характеристики соответствовали у него трем акустическим: громкости, мощности и тембру звука. Тем не менее, он не стремился к слиянию или какому-либо объединению этих двух способов восприятия, как это пробовали делать многие другие и оставался на позициях экспериментальной естественнонаучной парадигмы.

В его системе, цвет получался из взаимодействия трех основных цветов и модулировал собственные цветовые схемы. В отличие от Ньютона, он показал, что смешение физических цветов дает не белый, а серый тон. Он так же заметил, что смешение всех спектральных цветов не требует их равных долей для получения белого

 

 

 

Рисунок 32. Чувствительность палочек и трёх типов колбочек к излучению с разной длиной волны

 

Сегодня, цветовая модель Гельмгольца воспринимается скорее с исторической точки зрения, как одна из первых попыток математического обоснования цветоразличения. Однако, целый ряд правильных теоретических и практических предположений лежит в основе его изысканий и входит во все последующие модели. Такова, например, идея применения в качестве модели различения цветов метрического многомерного пространства, в котором точки представляют отдельные цвета, а межточечные расстояния — соответственно цветовые различия. Затем Гельмгольцу принадлежит также идея физиологической интерпретации осей цветового пространства [11].

 

Работа Гельмгольца нашла свое развитие в исследованиях немецкого физика, математика и филолога Германа Гюнтера Грассмана (1809 – 1877). В 1853 году он сформулировал три закона смешивания цветов, названные его именем (Рисунок 33).

Рисунок 33. Цветовой конус Грассмана

 

Первый закон Грассмана говорит о том, что существует только три способа описания цвета. Тон, яркость и насыщенность. В результате этих трех компонент, все многообразие цветов можно представить в виде объемного геометрического пространства в качестве описания. Любая точка этого пространства будет соответствовать конкретному цвету и описываться тремя координатами (яркостью, тоном и насыщенностью). В иной интерпретации этот закон говорит о том, что любой цвет может быть производной от трех других цветов, если ни один из этих трех цветов нельзя получить сложением двух остальных. В этой трактовке также просматривается факт возможности задания любого цвета тремя координатами.

Второй закон – закон непрерывности, говорит о том, что если в цвете, заданном тремя координатами, одна из них непрерывно изменяется (в то время как две других остаются неизменными), то цвет также изменяется непрерывно. Таким образом, к конкретно данному цвету, заданному тремя координатами, невозможно подобрать идентичный цвет, задавая его другим набором координат – геометрия цветового тела скалярна и однородна. Однако, таким образом, подбирая параметры координат, возможно подобрать бесконечно близкий к нему цвет.

Согласно третьему закону Грассмана, смешение компонент или координат одного и того же цвета (т.е. одинакового тона, одинаковой яркости и насыщенности) дает идентичные по цвету результаты, независимо от спектрального состава излучений, порождающих эти компоненты. Это означает, что взаимодействие с компонентами может происходить исходя из цвета, который они производят, без учета их спектрального состава. В основе этого лежит принцип аддитивности цветов.

 

В 1865 году художник Рудольф Адамс придумал цветовую систему, которую он назвал: «Хроматический аккордеон или аппарат для определения гармонических цветовых сочетаний» (Рисунок 34). Это был цветовой круг, состоящий из 24 секций, каждая из которых делилась на шесть степеней по светлоте. С помощью пяти шаблонов, в которых были вырезаны отверстия, соответствующие цветным секторам, можно было получать различные цветовые комбинации, накладывая и сдвигая круг (Рисунок 35). По аналогии с музыкой, он назвал их «аккордами», тем не менее, сам Адамс говорил о том, что эти аккорды не следует сравнивать с музыкальными, т.к. они не настолько гармоничны и служат лишь ориентиром для составления правильных цветовых сочетаний.

 

В комплексе с цветовой схемой, Рудольф Адамс предложил следующие принципы:

 

1) Красный, желтый и синий – являются первичными цветовыми элементами, из которых возникает многообразие всех остальных цветов и соотношений.

2) Цветовой тон зависит от насыщенности, т.к. от ахроматической шкалы, цвета плавно изменяются по тону и по светлоте.

3) Цветовой ритм и качество тона должны подбираться отдельно. Гармония подбора цветовых соотношений зависит от равновесия этих характеристик.

4) Цветовые тона выстраиваются в соответствии их порядка в радужном спектре. Цвета следуют один за другим по принципу их расположения в радуге и взаимодействуют таким же образом.

5) Чистые спектральные цвета необходимо применять с осторожностью. В изобразительном искусстве и архитектуре желательно использовать принцип дополнительных и облегченных тонов.

 

 

Рисунок 34. Хроматический аккордеон Адамса

 

 

Рисунок 35. Деление цветового круга Адамса на большие, средние и малые интервалы

 

Эрнст Вильгельм фон Брюкке (1819 – 1892) – немецкий врач, физиолог и педагог, учитель Зигмунда Фрейда, так же внес свой вклад в цветовую теорию.

Гармоническими триадами Брюкке считал красный-синий-желтый и красный-зеленый- желтый, а к этим триадам дополнительными, можно считать цвета малых интервалов. Малые интервалы, по его мнению, более гармоничны из-за того, что они ближе друг к другу  по цветовому тону. Таким образом, Эрнст Брюкке выделяет гармоничные цветовые триады в противовес парам цветовых контрастов.

Брюкке выделил 4 типа гармонических сочетаний (Рисунок 36):

- изохромия — композиция, построенная на одном цветовом тоне (например, на базе красного цвета);

- хомеохромия — композиция, построенная в пределах малых цветовых интервалов (например, желтый, оранжевый и желто-оранжевый);

- мерохромия — композиция, выполненная на основе подчинения всех цветов одному главному (если выбрать красный основным тоном, то подчиненными к нему будут оранжевый, пурпурный и фиолетовый);

- пойкилохромия — метод полного дробления цветовых масс (большое разнообразие цвета, где нет главного и все цвета одинаково значимы).

 

 

Рисунок 36. Гармонические сочетания Брюкке

 

Джеймс Кларк Максвелл (1831 – 1879) известный английский физик и математик, известен не только как основатель классической электродинамики и кинетической теории газов, молекулярной физики и термодинамики, но и как один из пионеров создания электромагнитной теории света и оптики.

Приняв за основу опыты Исаака Ньютона и Томаса Юнга, Максвелл занимается теорией цвета, разрабатывая ее с физико-физиологической точки зрения, во многом повторяя опыты Гельмгольца, разрабатывая способы количественного измерения цветовых тонов. Приняв за основу идею о трех компонентах зрительного восприятия, Максвелл в своей цветовой модели делает главными три спектральных цвета, с длинами волн желтый - 630 нм, зеленый - 528 нм и синий - 457 нм. Свою цветовую модель он выполняет в виде треугольника, в котором размещает каждый цвет в его углах (Рисунок 37). Таким образом, он создает двухмерную цветовую систему, основанную на длинах электромагнитных волн.

 

 

Рисунок 37. Треугольник Максвелла

 

Значительно достижение Максвелла в создании этой модели состоит в том, что геометрические отношения и интервал между цветами в треугольнике имеют точное значение, основанное на психофизических измерениях.

 

В 1868, Уильям Бенсон предложил цветовую систему в форме куба. При помощи такой геометрической формы, он делает попытку совместить свойства аддитивного и субтрактивного смешивания. Его конструкция установлена снизу на угол черного цвета, а сверху – белого. На трех гранях, отходящих от черного, мы видим основные цвета: синий, зеленый и красный. Сверху, от белой вершины, грани ведут к желтому, розовому и голубому (Рисунок 38).

 

 

Рисунок 38. Цветовой куб Уильяма Бенсона

 

В его книге «Принципы науки о цвете», Бенсон называет свой куб «естественной системой цветов». В кубе Бенсона 13 основных осей, которые делятся на три группы. Противоположные грани тоже соединяются осями через центр. Они названы основными, так как на этих гранях изменяется только один цвет. На второстепенных осях меняется два основных цвета, эти оси соединяют центры противоположных краев. В четырех осях, которые соединяют противоположные углы, меняются все три цвета и они названы третичными.

 Таким образом, мы можем двигаться по граням цветового куба, разделяя его на различные уровни и проецируя их на плоскость (Рисунок 39).

 

 

Рисунок 39. Проекция куба Бенсона на плоскость

 

Иоганн Фридрих Вильгельм фон Бецольд (1837 – 1907) был немецким физиком и метеорологом. Но он так же занимался вопросами физической оптики и электричеством.

 

Рисунок 40. Цветовой конус Бецольда

 

Он так же занимался вопросами цвета и предложил свою систему. В 1874 году он издает книгу под названием «Теория цветов применительно к искусству и прикладному искусству», где представляет цветовую схему в виде конуса (Рисунок 40). Бецольд предполагал, что его конус дожжен описывать все возможные цвета. На поверхности конуса располагались самые насыщенные по тону цвета. В основании конуса, в его центре размещался белый цвет, а на вершине конуса – черный. Конус разделен на двенадцать сегментов неравномерного распределения. Во втором издании, появившемся в 1921 году, редактор внес изменения и конус Бецольда был заменен двойным конусом Вильгельма Оствальда.

Рядом с конусом Бецольд располагает так же и цветовой круг (Рисунок 41), который основан на конусе. Этот круг не особенно отличается от разработок Гельмгольца и Максвелла

 

 

 

Рисунок 41. Цветовой круг Бецольда

 

Интересен тот факт, что Вильгельмом фон Бецольдом была открыт цветовой эффект, названный его именем (Рисунок 42). Эффект Бецольда – это оптическая иллюзия, которая говорит нам о том, что наше восприятие цвета может изменяться при соседстве с другими цветами, когда цвета чередуются на небольших расстояниях. Цвета могут изменяться в восприятии, темнея или светлея. В дальнейшем, подобные свойства цвета использовались в художественном творчестве.

 

Рисунок 42. Эффект Бецольда. Красный кажется светлее в сочетании с белым и темнее в сочетании с чёрным

 

Вильгельм Максимилиан Вундт (1832 – 1920) – основатель психологии, немецкий врач и физиолог, разработал две цветовые системы. Одна система была выполнена в виде сферы, по экватору которой располагались восемь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. В центр круга они перемешиваются, образуя серый цвет. По мере движения к полюсам, цвета меняли насыщенность и яркость. Несколько позднее, он переоформил свою систему в виде конуса. Так или иначе, его разработки напоминали работы Шевреля и Ламберта. В его конусе, так же как и у Бецольда, от белого цвета в основании, осуществлялся переход к черному на вершине.

Таким образом, Вундт сводит цветовой круг основных восьми цветов Ньютона к объемному конусу.

 

Выдающийся вклад в изучение цвета внес французский химик Эжен Шеврель (1786 –1889). Он открыл ряд растительных пигментов и занимался органическими красками. В колористике известны его исследования цветовых контрастов. Он не был художником и интересовался цветом, в первую очередь, с точки зрения окраски тканей и гобеленов.

В своей книге «О законе одновременного контраста цветов» («Loi du contraste simultané des couleurs») (1839), Шеврель предлагает свою цветовую систему (Рисунок 43) и говорит о влиянии цветовых тонов друг на друга, если они находятся в непосредственной близости. Если два цвета находятся рядом, то они оказывают друг на друга некоторое воздействие. Наше зрение смешивает эти цвета, меняет их окраску и цвет воспринимается иначе. Таким образом, он сформировал закон Шевреля: «Два смежных цвета, будут казаться настолько несходными насколько это только возможно». Этот же принцип ляжет в основу пуантилизма, импрессионизма, лучизма и многих других стилей в живописи последующего времени (16).

 

 

Рисунок 43. Цветовой круг Шевреля

 

Он разработал круг, состоящий из 72 частей, изменяющихся последовательно. Стоит отметить, что в его круге становится заметен тот факт, что яркость чистого цвета в разных тонах находится на разном удалении от центра – желтый находится ближе к центру (к светлому), а синий дальше (ближе к затемнению). Таким образом Эжен Шеврель определил принцип, по которому насыщенность чистых цветов находится в разных диапазонах их светимости.

Свою систему Шеврель описал, как систему двух составляющих: «Harmonie d'analogues» («Гармонию аналогий») и «Harmonie de constraste» («Гармонию контрастов»). Дожив до 102 лет, он создал обширную школу учеников, среди которых пользовался огромной популярностью.

 

Французский искусствовед Чарльз Бланк (1813 – 1882) был директором отдела Декоративных искусств в Париже. В 1879 он разработал цветовую систему, основанную на моделях Эжена Шевреля и французского художника, выдающегося колориста Эжена Делакруа.

Чарльз Бланк использовал две шестиконечную звезду, поместив в ее углах первичные и вторичные цвета: синий, желтый, красный, фиолетовый, зеленый и оранжевый. По-сути, получились два треугольника – один с первичными цветами, а второй с дополнительными (Рисунок 44). Таким образом, Бланк показывает, что при одновременном контрасте, цвет в его треугольниках получается от взаимодействия двух цветов, между которыми он стоит.

 

 

Рисунок 44. Цветовая модель Бланка

 

Французский натуралист Шарль Лакутюр (1832-1908), в 1890 издал «Хроматический репертуар», в котором описал свою оригинальную цветовую модель, состоящую из трех лепестков, распределяющих три основных цвета: синий, желтый и красный.

В те времена, проблемы цвета интересовали не только художников, но и натуралистов. Дело в том, что большинство ученых, занимающихся флорой и фауной, выполняли рисунки в своих книгах самостоятельно. Таким образом поступал и Чарльз Дарвин и вышеупомянутые: Ричард Уоллер, Моисей Харрис, Якоб Шеффер, Джеймс Соверби и др. Ученые-натуралисты отправлялись в путешествия и научные экспедиции по всему свету, зарисовывали свои наблюдения, а потом эти рисунки ложились в основу их публикаций и научных трудов. Проблема цвета для них была весьма актуальной, т.к. точность их зарисовок напрямую зависела от эмпирических данных.

Лакутюр был профессором естественных наук в колледже Сен-Клеман в городе Меце. Он изучал растения и издал несколько книг. В «Repertoire Chromatique» предлагались некоторые практические соображение по поводу использования цветовых решений и смешения цветов. Он построил необычную цветовую фигуру, которую назвал «trilobe synoptique», что можно перевести в некотором приближении, как «трехлопастный анализатор». Фигура состоит из трех лопастей, в которых цвета распределены между синим, красным и желтым в оригинальной последовательности. Несмотря на довольно замысловатую и сложную по форме конструкцию, фигура Лакутюра весьма наглядно и просто передает возможности смешения основных цветов в субтрактивном ключе. Каждый из трех основных цветов проявляется как генератор цветовых полей, все из которых перекрываются (Рисунок 45).

 

 

Рисунок 45. Цветовая модель Шарля Лакутюра

 

Австрийский философ Алоис Хефлер (1853 – 1922) был профессором педагогического университета в Праге и Вене. Он внес значительный вклад в только зарождавшуюся тогда психологию. Хефлер изучал психологическое воздействие цвета. В учебнике по психологии в 1897 году, он предложил свою первую цветовую систему в виде октаэдральной пирамиды, в основании которой был четырехугольник, в углах которого располагались четыре основных цвета (красный, желтый, синий и зеленый), а в вершинах – черный и белый. Он пытался соединить эту форму с психологическими реакциями. Несколько позже Хефлер перешел к пирамиде с основанием из трех цветов, и серым в середине, убрав зеленый (Рисунок 46). Таким образом, он вернулся к уже известным цветовым моделям и ньютоновской теории гармонии цвета и музыкальных нот.

В 1916 году он был избран членом-корреспондентом Императорской Академии наук в Вене. В дальнейшем, многие психологи ссылались в своих трудах на цветовые разработки Алоиса Хефлера.

 

Рисунок 46. Цветовые системы Алоиса Хефлера

 

Карл Эвальд Константин Геринг (1834 – 1918) – немецкий физиолог, член Лондонского королевского общества, член-корреспондент Петербургской академии наук, был одним из создателей современной теории цветового зрения. Развивая идею о трехкомпонентности цветового восприятия Людвига фон Гельмгольца, он с физической точки зрения обосновал положение о цветовом зрении, как о системе восприятия, реагирующей на цвет трех основных качеств: бело-черного, красно-зеленого и желто-синего. По мнению Геринга, цвета действуют и воспринимаются в этих комбинациях, дополняя и исключая друг друга (Рисунок 47).

Рисунок 47. Цветовой круг Геринга

 

В теории Юнга-Гельмгольца, три типа колбочек реагируют на цвет, попадающий в глаз и дают нам весь спектр цветов. Геринг же говорит о трёх типах парных процессов реагирующих на ахроматику, жёлто-синие, и красно-зелёные цвета, которые происходят на пострецепторной стадии нашего восприятия. На первый план выходят психо-физиологические и психологические механизмы. Цвет обосновывается, как психологическая реакция. Таким образом, теория Геринга основывается на восприятии и обработке глазом не трех, а четырех основных цветов. 

Модель Геринга не получила особого распространения и не имеет достаточного подтверждения на сегодняшний момент.

 

 

Рисунок 48. Иллюзия Геринга – оптическая иллюзия, открытая Герингом. Две вертикальные прямые выглядят выгнутыми. Искажения создаются за счёт фона, который создает ложное впечатление глубины.

 

Выдающийся немецкий психолог, доктор философии и математик Герман Эббингхауз (1850 – 1909) известен преимущественно своими опытами по изучению человеческой памяти, в частности – возможностями запоминания. Он является автором метода «кривой забывания». Однако, и он внес свой вклад в создание цветовых систем, продолжив эксперименты с цветовыми пирамидами и конусами. Он взял двойную пирамиду и закруглил у нее края, чтобы сгладить точки перехода. В основании расположены четыре основных цвета, как и у Геринга. Пирамида наклонена по оси, чтобы обозначить приближение к желтого к белой вершине, а темно-синего – к черной.

Двойная пирамида Эббингхауза становится последней простой цветовой системой, апеллирующей к чисто феноменологическому принципу. Она не учитывает смешение цветов и считает, что восприятие цветов может быть успешным только при помощи психологических процессов высшей нервной организации.

Эббингхауз открыл иллюзию восприятия, в которой показал, что два одинаковых круга, окруженные кругами разного размера, кажутся неодинаковыми (Рисунок 49).

Так же Эббингхаузом был обнаружен тот факт, что красный и зеленый цвет имеют примерно одну и ту же яркость при нормальном освещении, однако становятся различны по яркости и восприятию, при уменьшении освещенности. Таким образом, он указал на некоторые аспекты эффекта, который открыл румынский физиолог Ян Эвангелиста Пуркине в 1819 году. Суть его заключается в том, что с понижением освещенности, восприятие цвета человеческим глазом изменяется: красный в сумерках становится более темным, чем зеленый, в то время как синие тона светлеют.

 

Рисунок 49. Иллюзия Эббингхауса