Вы в детстве никогда не развлекались, разглядывая через увеличительное стекло окружающие предметы? Если нет, то попробуйте прямо сейчас — возьмите лупу и посмотрите вот на эту белую страницу. А те, кто были любознательными детьми, и так знают: картинка будет примерно такая.

Монитор под микроскопом

И это именно белый цвет. Почему же мы видим цветные точки?

Дело в том, что передачи цветов в телевизорах, мониторах компьютеров и телефонов используется цветовая модель RGB. RGB — это аббревиатура английских слов Red, Green, Blue, то есть, «красный», «зеленый», «синий» — это и есть основные цвета в этой модели.

Но почему именно красный-зеленый-синий, кому это пришло в голову и почему при смешении они дают белый? Разберемся по порядку.

История вопроса

В конце 1850-х - начале 1860-х годов Джеймс Максвелл, ныне известный физик, а тогда — молодой выпускник Кембриджа, занимался изучением теории цвета. Теория цвета берет свое начало в работах Исаака Ньютона (мы вспоминали о его опытах с разложением света, когда говорили о цветах). Максвелл проводил эксперименты по смешению цвета, для которых использовал цветовой волчок — прикрепленный к оси диск, сектора которого были раскрашены разные цвета.

Молодой Джеймс Максвелл с цветовым волчком в рукахМолодой Джеймс Максвелл с цветовым волчком в руках.

В своих работах Максвелл развивал идеи Томаса Юнга, который выдвинул предположение о существовании трех основных цветов: красного, зеленого и синего — в соответствии с тремя типами чувствительных волокон в сетчатке глаза. Как мы помним, в сетчатке есть два вида фоторецепторов: палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цветовое зрение и, в свою очередь, делятся еще на три вида: одни чувствительны к красно-желтой, другие — к зелено-желтой, а третьи — к сине-фиолетовой части спектра.

Палочки и колбочки на сетчатке глазаЭту картинку вы уже где-то видели :) Обратите внимание на три вида колбочек.

Так вот, Максвелл с помощью своего волчка продемонстрировал, что белый цвет нельзя получить смешением синего, красного и желтого, как считалось ранее, а основными цветами являются красный, зеленый и синий.

Как монитор передает цвета

Хотя Максвелл проводил свои исследования еще в XIX веке, цветовая модель RGB на практике стала использоваться позже — когда появились телевизоры и мониторы, сначала с электронно-лучевой трубкой, а потом жидкокристаллические и плазменные.

В ЭЛТ изображение создается с помощью трех электронных прожекторов, каждый из которых излучает свет своего цвета. На экран нанесен люминофор — вещество, которое светится под воздействием этих прожекторов. Причем люминофор тоже трех видов: один светится от излучения красной пушки, второй — от зеленой, третий — от синей.

Устройство цветного кинескопа
Устройство цветного кинескопа:
  1. Электронные пушки
  2. Электронные лучи
  3. Фокусирующая катушка
  4. Отклоняющие катушки
  5. Анод
  6. Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, зеленый луч — на зеленый люминофор, синий — на синий.
  7. Красные, зелёные и синие зёрна люминофора
  8. Маска и зёрна люминофора (увеличено)

При всех конструктивных и технологических отличиях от ЭЛТ, жидкокристаллические и плазменные мониторы работают по тому же принципу: под воздействием энергии загорается красный, зеленый или синий люминофор.

Минимальная единица изображения, создаваемого монитором, называется пикселем. Цвет пикселя получается из комбинации входящих в него трех точек люминофора (эти три точки называются триадами).

Пиксель и триада субпикселейВот она, та самая картинка, которую можно увидеть, посмотрев на монитор в лупу. Пиксели не обязательно бывают прямоугольные, но чаще всего они выглядят именно так.

Смешение цветов

Посмотрите вот этот выпуск детской передачи «Галилео». Ведущий здесь повторяет опыт Максвелла с цветовым волчком и очень наглядно показывает, как различается смешение цветов от излученного и отраженного света.

В этом опыте показаны два метода смешения цветов: аддитивный и субтрактивный. В цветовой модели RGB используется аддитивный, поэтому сейчас нас интересует именно он.

Аддитивный метод основан на сложении цветов (addition означает «сложение»). Называется он так, потому что цвета получаются путем добавления к черному. Этот метод применяется для получения цветов от излученного света, в частности, в компьютерных мониторах.

Как на бумаге отсутствие цвета есть белый цвет, так на мониторе отсутствие цвета — черный. Цвета здесь получаются смешением трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Смешение красного и синего дают пурпурный (Magenta), синего и зеленого — голубой (Cyan), зеленого и красного — желтый (Yellow). А смешение всех трех основных цветов — белый.

Смешение цветов RGB

Числовое представление модели RGB

Поскольку в модели RGB есть три основные составляющие цвета, ее можно представить в виде куба. Получается, что каждая точка в пространстве этого куба (которую можно задать с помощью трех координат) — определенный цвет.

Куб RGB

В компьютерах каждая из координат задается целым числом — от 0 до 255.

RGB в Фотошопе

В HTML используется шестнадцатеричная запись: каждая координата задается двумя шестнадцатеричными числами. Вот, например, показанный выше цвет с RGB-координатами (240, 103, 162) в шестнадцатеричной записи выглядит так: #f067a2.

RGB в шестнадцатеричной записи

А вот как выглядит смешение цветов в числовом представлении:

Смешение цветов

Ограничения модели RGB

В теории все выглядит довольно просто, но на практике при применении модели RGB не всегда удается точно передать нужный цвет.

Первая проблема связана с технологией изготовления мониторов. Как уже упоминалось, цвет, воспроизводимый монитором, зависит от типа нанесенного на него люминофора. Но разными производителями используются разные типы люминофора. Кроме того, по мере старения монитора меняются качества люминофора и характеристик электронных прожекторов или светодиодов. Другими словами, на разных мониторах цвета могут немного различаться — наверное, все с этим сталкивались.

Вторая проблема имеет уже не технический характер, она проистекает из ограничений самого метода смешения цветов. Дело в том, что с помощью аддитивного синтеза нельзя получить все цвета видимого спектра. Все, что может монитор — это смешивать красный, зеленый и синий. Если обозначить эти цвета на диаграмме точками, то все множество цветов, которые можно получить их смешением, окажутся внутри получившегося треугольника. И площадь его, как мы видим, гораздо меньше, чем диапазон цветов, которые может различать человек.

Цветовой охват модели RGB