Teorie barev

Světlo a barva

Světlo je elektromagnetické vlnění (záření), které je lidské oko schopné vnímat. Ke každé vlnové délce viditelného záření v rozsahu 380 – 780nm je přiřazena konkrétní spektrální barva. Před hranicí viditelného spektra 380nm se nachází oblast ultrafialového záření (UV) a za  hranicí 780nm infračerveného světla (IR záření). Obě oblasti jsou využívány v polygrafii pro specifické účely. UV záření je využíváno jako zdroj pro expozici fotomateriálů a polymeraci (schnutí) UV tiskových barev a lepidel. UV záření lze podle vlnové délky rozdělit na UV - C: 100 - 280nm, UV - B: 280 - 315nm a UV - A: 315 - 380nm. IR záření má využití v rámci technologií CtP a jako záření urychlující schnutí konvenčních tiskových barev a laků. Podle vlnové délky jej lze rozdělit na IČ – A: 780 – 1400nm, IČ – B: 1, 4 - 3µm a IČ – C: 3 µm – 1µm. Šíření světla je ovlivněno vlastnostmi prostředí, tento vliv se označuje jako index lomu. Jde o vliv hustoty prostředí, kterým světlo prochází, na jeho rychlost. Čím je hodnota indexu lomu větší, tím je látka, kterou světlo prochází, opticky hustší. Světlo různých vlnových délek se šíří různou rychlostí. Každá spektrální barva se láme při dopadu na rozhraní dvou prostředí pod jiným úhlem. Rozklad světla na optické mřížce se využívá při měření optických spekter pomocí spektrofotometrů. Pro popis elektromagnetického záření se kromě vlnové délky a frekvence záření používají i další fyzikální veličiny, které se souhrnně nazývají jako radiometrické veličiny. Pro popis světla se používají fotometrické veličiny zohledňující schopnost lidského oka vnímat elektromagnetické záření.

Obr. 1: Viditelné spektrum

Radiometrické veličiny

Objektivně posuzují vyzařování energie do okolí pomocí měřících přístrojů. 

• Zářivý tok = energie vyzářená zdrojem za jednotku času
• Zářivost = jedná se o podíl zářivého toku a velikosti prostorového úhlu
• Zář = jedná se o výkon jednotkového prostorového úhlu na jednotkovou plochu zdroje
• Intenzita vyzařování = odpovídá podílu zářivého toku vysílaného ze zdroje a jeho plošnému obsahu
• Ozáření 
• Množství energie 
• Expozice

Fotometrické veličiny

Subjektivně posuzují vyzařování energie v podobě světla do okolí na základě účinků světla na zrak.

• Světelný tok = vyjadřuje velikost zrakového vjemu oka vyvolaného energií světelného záření, které projde danou plochou v prostoru za určitý čas
• Svítivost = se definuje jako podíl světelného toku vyzářeného zdrojem do malého prostorového úhlu, vyjadřuje tedy rozdělení světelného toku do různých směrů v prostoru
• Luminance = jedná se o veličinu, kterou v životě popisujeme jako jas
• Osvětlení = velikost osvětlení závisí na části světelného toku dopadajícího kolmo na plochu
• Světelné množství
• Osvit
• Světlení

Světelné zdroje

Světelné zdroje jsou zdroje elektromagnetického vlnění o vlnové délce viditelné lidským okem (cca 380 - 780 nm). Světelné zdroje se většinou dělí na zdroje přírodní a zdroje umělé (zdroje vytvořené lidmi). Dále se světelné zdroje mohou dělit na vlastní a nevlastní.

Přírodní a umělé zdroje

Přírodní zdroje

Kosmická tělesa:

• Zdroje primární - zdroje, které světlo vytváří. Např. Slunce, hvězdy.
• Zdroje sekundární - zdroje pouze odráží světelné paprsky. Např. Měsíc

Chemické reakce:

• Oheň

Biologické zdroje:

• Zdroje primární - luminiscence: houby, světlusky, někteří mořští živočichové
• Zdroje sekundární - odrazy očí v tmavém prostředí, efekt červených očí při fotografování

Energetické výboje:

• Elektrický proud v plynech - blesk, oblouk

Tektonické jevy:

• Žhnoucí láva

Umělé zdroje

Umělé zdroje dělíme dle mnoha hledisek, například mohou být děleny dle samotné podstaty vzniku světla.

• Zdroje na principu tepelného záření - žárovky
• Zdroje zářící pomocí elektrických výbojů v plynech a parách kovů - výbojky, žárovky
• Zdroje na principu luminiscence - svítívé diody      

Slunce je tedy považováno za přirozený zdroj. Kromě slunečního záření se používají různé druhy umělých zdrojů osvětlení. Patří sem žárovky, výbojky, lasery a světlo emitující diody (LED – Light Emitting Diode). Světlo z různých zdrojů se vzájemně liší spektrální intenzitou vyzařování. V polygrafii se často používají xenonové a halogenidové výbojky, jejichž světlo se blíží dennímu. Laserové zdroje se používají v osvitových jednotkách a holografii (výroba masterů). V roce 1931 byly komisí pro osvětlení CIE (Comission Internationale de l´Eclairage) definováno několik standardních světelných zdrojů.

A - žárovka s wolframovým vláknem (běžné umělé osvětlení)

B - přímé sluneční světlo

C – průměrné denní světlo

Pro přesnější označení byly v roce 1963 definovány zdroje D₅₀ pro teplotu chromatičnosti 5000K , D₆₅ pro teplotu chromatičnosti 6500K a D₇₅ pro teplotu chromatičnosti 7500Kelvinů, které mají různý barevný nádech.

Percepční orgán - lidské oko

Lidské oko je optická soustava, které zprostředkovává vizuální podněty pro zpracování v mozku. Pro vnímání barev a světla jsou v oku dva druhy receptorů. Čípky jsou receptory pro vnímání barevnosti, jejich celkový počet na sítnici je kolem 7 milionů. Největší koncentrace je v místě žluté skvrny a nejmenší v místě slepé skvrny, což je místo napojení očního nervu. Čípků jsou tři druhy s různou spektrální citlivostí- pro největší citlivost v červené oblasti viditelného spektra – dlouhovlnné, pro zelenou oblast spektra – středněvlnné a pro modrou oblast spektra – krátkovlnné. Dalším důležitou součástí oka je duhovka – iris, která reguluje množství a intenzitu světla dopadajícího do oka, čím nás chrání proti oslnění. Jde o otvor o průměru od 2 do 7 milimetrů, který se zvětšuje a zmenšuje v závislosti na intenzitě světla. Při dobrých percepčních podmínkách je vidění zprostředkováno čípky – čípkové neboli fotopické vidění. Tyčinkové neboli skotopické vidění nastává při ztížených optických podmínkách. Tyčinky jsou mnohem citlivější na světlo, ale nerozlišují barvy. Pro reprodukci obrazu tiskovou technikou má zásadní význam rozlišovací schopnost oka daná průměrem fotoreceptorů a jejich vzdáleností. Při vzdálenosti 25 cm od pozorovaného objektu a vhodných světelných podmínkách je rozlišovací schopnost oka na úrovni cca 336dpi. Při vzdálenosti 5 metrů je rozlišovací schopnost oka kolem 17dpi. Tento parametr oka umožňuje při reprodukci využívat systém autotypické sítě k rozkladu do tiskových bodů. Vlivem věku se barva rohovky oka mění z bezbarvé na žlutou a to má vliv na vnímání barev. Purpurové odstíny přes tuto žlutou clonu vnímáme červeně a celkově dochází k posunu barevného vjemu v závislosti na míře zažloutnutí rohovky, proto je důležité nespoléhat se na zkušenosti a barvocit, ale používat měřicí přístroje.

Vnímání barev

Barva je fyzikální veličina. Je vnímána individuálně – subjektivně. Vzniká odrazem světla do lidského oka. Aby mohla být barva pozorována, musí být splněny tři základní podmínky.

Zdroj světla

Předmět na který světlo dopadá

Percepční orgán (lidské oko)

Obr. 2: Porovnání typů barvosleposti (Daltonismu) se zdravým okem

Tabulka zkreslení vnímání barev při Daltonismu (barvosleposti)

Rozsah viditelného světla (záření) je definován v rozmezí od 380 – 780 nanometrů. Lidské oko pracuje v systému RGB. V místě, kam dopadá obrazová informace, se nachází tři typy receptorů – čípků, které jsou citlivé na jednotlivé barvy. Jde o receptory červené barvy, modré barvy a zelené barvy. Vzájemných poměrem mísení jednotlivých signálů, vedených očním nervem, v příslušném mozkovém centru vzniká konkrétní barva. V tomto případě jde o mísení fyzicky nehmotných barev, které jsou převedeny do nervového vzruchu a ten je vyhodnocován prostřednictvím CNS.

Obr. 3: Testy barevného vnímání

Faktory ovlivňující vnímání barev

Vnímání barev ovlivňují adaptační schopnosti oka. Díky této adaptaci se odezva mění v závislosti na podmínkách, při nestandardních podmínkách vznikají mylné vjemy, které označujeme jako optické klamy.

Adaptace na tmu – projevuje se při přechodu z jasného prostředí do tmavého. Čím je větší rozdíl mezi množstvím světla – jasu obou prostředí, tím delší je adaptační (přivykací) fáze. Tuto fázi lze urychlit tím, že několik minut před změnou prostředí zavřeme jedno oko, které se adaptuje na ztížené světelné podmínky, a usnadní nám tak orientaci ve tmě.

Adaptace na světlo – závisí na velikosti rozdílu mezi jednotlivými prostředími. Je rychlejší než adaptace na tmu. Rychlost je individuální, reakční doba je od 5 do 11 minut. K adaptaci dochází znecitlivěním optické soustavy systému oka.

Chromatická adaptace – označovaná rovněž jako tvorba paobrazů. Vzniká při dlouhém pozorování jednoho obrazu, který se při opuštění pozorovaného objektu zafixuje na sítnici a při změně podkladu se jeví být jinak barevným.

Jasový kontrast – je rozdíl jasu pozorovaného objektu a jeho okolím. Objekt světlé barvy se na tmavším pozadí jeví světlejším a naopak.

Obr. 4: Jasový kontrast

Chromatický kontrast – barevný objekt je vnímán jako pestřejší, pokud je na méně jasném pozadí.

Obr. 5: Chromatický kontrast

Doplňkový kontrast – se projevuje mírným zesílením doplňkové barvy, což je patrné především u šedých objektů.

Obr. 6: Doplňkový kontrast

Reprodukce barev v polygrafii

Pro reprodukci obrazu tiskem a jeho rozklad na jednotlivé tiskové body a později i dílčí barvy byla v 19. století zavedena reprodukční technika nazvaná autotypie, která využívá pravidelně rozmístěné body s různou velikostí. Nejtmavší body jsou tištěny největšími tiskovými body, světlejší místa obsahují body menší. Při vnímání takto vytištěné struktury hraje vliv barva samotná, barva potištěného papíru a jeho optické vlastnosti, hustota samotné sítě a tvar jejích bodů. Jednotlivé body jsou umístěny do síťové struktury, kterou označujeme jako síť a postup získávání této struktury jako síťování. V polygrafii se často používá slangový výraz rastrování. Rastr je označení pro mřížku, síť nebo jinou pravidelnou strukturu. V době před digitalizací předtiskové přípravy se k rozkladu obrazu na jednotlivé tiskové body používaly reprodukční kamery, které obraz rozkládaly pomocí mřížky na skle – rastru. Barevné obrazy jsou reprodukovány soutiskem několika tiskových barev. V klasických tiskových technologiích jde většinou o rozklad na čtyři základní procesní barvy CMYK, které se dle normy ISO 12467 označují jako škálové (procesní) barvy. Před tiskem je obraz nutné rozdělit na jednotlivé barvy – separace, tisknout příslušnými procesními barvami a díky soutisku dosáhnout kvalitní reprodukce.

Síťování obrazu (AM + FM)

Při autotypickém rastrování obrazu se vyžívá princip amplitudové modulace (AM) sítě. Plocha obrazu je rozdělena pravidelnou, pravoúhlou mřížkou na jednotlivé tiskové buňky. Hustota této mřížky určuje maximální velikost tiskového bodu. Střed tiskového bodu leží ve středu síťové buňky. Míru zaplnění síťové buňky popisuje tónová hodnota, která se udává v procentech. Dosud se můžeme setkat s termínem plošné pokrytí, které rovněž vyjadřuje poměr zaplnění plochy tiskovou barvou. Pokud je například tónová hodnota 80%, pak to znamená, že 80% plochy rastrové buňky je vyplněno tiskovým bodem a zbývajících 20% je bez pokrytí. Pojem amplitudovaná modulace je odvozen z principu vyplnění síťové buňky, které se mění podle světlosti reprodukovaného místa. Pracuje se s velikostí (amplitudou) síťových bodů, vzdálenost jejich středů zůstává stejná v rámci dané sítě.

Obr. 7: Struktura autotypické sítě

Autotypické síťování - různě velké body v pravidelných vzdálenostech

Vzdálenost středů tiskových bodů je dána hustotou (lineaturou) sítě vyjádřenou buď v počtu linek na centimetr (lpc – lines per cm) nebo v počtu linek na palec (lpi – lines per inch). Převodní jednotkou mezi oběma systémy je velikost palce, která je 2,54 cm. Při hustotě sítě 48 lpc (120dpi) je po délce 1cm rozmístěno 48 tiskových bodů, takže velikost buňky je 0,2 x 0,2 mm. Hustota rastrové sítě se volí podle tiskové techniky s ohledem na její reprodukční schopnosti, druh a povrchu potiskovaného materiálu. Nejhustší síť je v hlubotisku v rozmezí 60 – 100lpc v ofsetu 45 – 80lpc. Ve flexotisku 48 – 54lpcm. Nejnižší hodnoty se používají v sítotisku 36 - 48 lpc, což souvisí s použitím sítoviny jako nosiče sítotiskové šablony. Při tisku reprodukcí pozorovaných z velké dálky se volí nižší hustota tiskových bodů (například při tisku billboardů a megaboardů).

Moderní metody výroby tiskové formy v polygrafii využívají  digitálního síťování, výpočet velikostí a rozístění tiskových bodů a jejich zobrazení pomocí laseru v osvitových jednotkách a CTP rekordérech. Při tomto způsobu síťování je obraz rozdělen na tiskové body, které postupně od středu v závislosti na požadované tónové hodnotě zvětšují svou plochu. Každá  buňka je rozdělena na elementární body, které jsou definovány rozlišením výstupního zařízení. Vzájemným poměrem velikosti buňky  a velikosti elementárních bodů vzniká počet stupňů šedi. Horní hranice stupně šedi v rámci jedné buňky rastrové sítě je 256 tj. 28 při osmibitovém zpracování obrazu (8 bitové hloubce). Tvary tiskových bodů se generují v závislosti na potřebách, zkušenostech a tradici.

Shrnutí

Světlo a barva patří mezi základní atributy lidského vnímání. Lidské oko pracuje na principu RGB, které rozlišuje prostřednictvím čípků, uložených v sítnici lidského oka. Pro objektivní vjem musí být ideální světelné podmínky, které jsou stanoveny pro denní i umělé osvětlení a jejich dosažení je zárukou optimálního vnímání barvy lidským okem. Na objektivitu vnímání barev má vliv nejen kvalita osvětlení, ale i související prostředí, kterým může být například podklad nebo vedle sebe ležící barvy, které zvyšují nebo snižují kvalitu barevného vjemu (doplňkový kontrast).

Kontrolní otázky

• Uveďte, co ovlivňuje vnímání barev.

• Vysvětlete, co znamená zkratka RGB?

• Jaký je rozsah viditelného spektra a který druh záření se nachází před a za tímto pásmem?

• Popište druhy osvětlení a jejich označení.

• Vysvětlete, proč se v průběhu života mění schopnost vnímat a posuzovat barevnost.

• Pokuste se vyjmenovat spektrální vlnové délky jednotlivých barev barevného spektra.