System barw Ostwalda

System barw Ostwalda – metoda klasyfikacji barw, zaproponowana przez Wilhelma Ostwalda, oparta na założeniu, że każda z barw może być wyrażona funkcją udziałów trzech składowych – jednej z 24 „barw pełnych” (w pełni nasyconych barw chromatycznych) oraz dwóch barw achromatycznych – bieli i czerni. Ostwald – chemik i filozof – korzystał z zaproponowanej klasyfikacji poszukując możliwości opisania warunków osiągania harmonii barw, np. w malarstwie.

Światło, wzrok i wrażenia barw

Współcześnie jest oczywiste, że teoria kolorów musi opierać się na uznaniu ich za wrażenia wywołane działaniem różnych bodźców świetlnych na narządy wzroku. Narządy takie ukształtowały się w procesie ewolucji organizmów, nieustannie dostosowujących się do życia na Ziemi – m.in. ewolucyjnie doskonalących sposoby korzystania z docierającej przez atmosferę części widma promieniowania słonecznego jako źródła informacji o otoczeniu (zob. ewolucja widzenia barwnego). Na podstawie wiedzy o prawdopodobnym składzie widma tego promieniowania w czasie rozwoju pierwszych form życia przypuszcza się, że pierwotne organizmy dysponowały receptorami światła o zakresach czułości innych niż te, którymi dysponuje człowiek^[a]. Człowiek współczesny opisuje własne wrażenia wzrokowe, do nich dostosowując znaczenie pojęć światło widzialne, widzenie fotopowe lub barwa, od dawna nie zadając sobie pytań:

Od połowy XIX wieku do opisu wrażeń odbieranych przez człowieka używa się wielkości^[3]:

• jakościowych – chromatyczność; według Hermann von Helmholtza – odcień (λ) i nasycenie (czystość, p_c),
• ilościowych – jasność (według Helmholtza – A),

które są podstawą różnych – wciąż udoskonalanych – systemów barw^[4] (zob. np. Natural Colour System, przestrzeń barw, przestrzeń barw L,a,b, CIELab, modele: HSV, HSL, RGB, RGBA, sRGB i inne).

Opisywane wrażenia wzrokowe nie są jednoznacznie związane ze składem widma promieniowania, które jest fizjologicznym bodźcem^[3]:

• promieniowanie o tym samym składzie widma wywołuje identyczne wrażenie, ale…
• identyczne wrażenia mogą być wywoływane przez promieniowanie o różnym składzie (metameryzm); np. wrażenie powstające w warunkach naturalnych, pod wpływem promieniowania z widmem ciągłym (część światła białego), można wywołać stosując np. odpowiednią mieszaninę wiązek monochromatycznych lub innych wiązek o różnych barwach (synteza addytywna lub subtraktywna).

Światłem widzialnym nazywamy niewielką część ciągłego widma promieniowania elektromagnetycznego, zdolną do wzbudzania fotoreceptorów oka

Względna absorpcja światła czopków (K, Ś, D) i pręcików (Pr) siatkówki ludzkiego oka (cztery „aparaty wzrokowe” człowieka)

Kwitnący ogród – malarski przekaz wrażeń van Gogha (rzeczywiste obiekty i użyte barwniki absorbują podobne pasma światła widzialnego)

Rys historyczny rozwoju wiedzy o barwie

Historia rozważań o istocie barw i ich oddziaływaniu na człowieka (aspekty filozoficzne, metafizyczne, estetyczne, psychologiczne, przyrodnicze) jest znacznie dłuższa od historii badań właściwości promieniowania elektromagnetycznego. W starożytności i średniowieczu rozważania te, w tym tworzenie systemów barw (sposobów klasyfikacji opartych m.in. na pojęciach „jasności” i „ciemności” barw), podejmowali głównie filozofowie i malarze (m.in. Pitagoras, Arystoteles, Platon, Robert Grosseteste, Leon Battista Alberti, Leonardo da Vinci); nie były one oparte na podstawach przyrodniczych ^{[4] [5]}. Demokryt twierdził, że obserwowane obiekty wysyłają do oka „atomy”, wywołujące obraz; według Euklidesa to właśnie oko miało być źródłem „promieni wzrokowych”, które „dotykały” obserwowanych przedmiotów^[6]. Pierwszym uczonym, który stworzył system oparty na tylko trzech barwach – czerwonej, niebieskiej i żółtej – był prawdopodobnie belgijski uczony i jezuita François d'Aguilon (1567–1617)^[7].

Przełomem w poznawaniu natury barwy było odkrycie Isaaca Newtona (1643–1727), dokonane w czasie jego badań rozszczepiania światła białego w pryzmacie i proces odwrotny (zastosowanie drugiego pryzmatu)^[8][9].

Zjawisko rozszczepienie światła w pryzmacie było znane od wieków, jednak dopiero Isaac Newton wykazał, że jest związane z naturą światła, a nie szkła (zob. szkic przełomowego eksperymentu Newtona, pochodzący z jego pracy, zaprezentowanej w Royal Society w roku 1672)

Newton pierwszy stwierdził, że uzyskiwane barwy nie są cechą pryzmatów, lecz światła, które można rozdzielać i ponownie łączyć, uzyskując światło białe. Zaproponował koło barw, którego wycinki odpowiadają udziałom siedmiu kolorów w widmie (czerwona, pomarańczowa, zielona, niebieska, indygo, fioletowa) i wskazał punkt odpowiadający światłu białemu. Wyniki swojej pracy przedstawił w Royal Society w roku 1672 jako a new theory of light and colours^[8][9]. W kolejnych dziesięcioleciach koncepcja spotykała się ze sprzeciwami; protestował m.in. Johann Wolfgang von Goethe (1749–1832), zajmujący się problemami barw od roku 1791, którego praca Theory of Colours ukazała się w roku 1810^[10]. Goethe wyśmiewał możliwość uzyskiwania bieli z barw chromatycznych, myśląc wyłącznie o syntezie subtraktywnej, czyli efektach odbicia światła od powierzchni pokrytych mieszaninami barwników, pochłaniających fale o różnej długości (sumowanie efektów absorpcji powoduje wzrost udziału czerni – nasycenia szarością). Różnica między syntezą subtraktywną i addytywną (mieszaniem wiązek światła o różnych widmach, powodującym zwiększanie udziału bieli) stała się wkrótce oczywista^[11], m.in. dzięki pracom niemieckiego matematyka i astronoma, Tobiasa Mayera, autora pracy De Affi nitate Colorum Commentatio (1758) i Georga Palmera, autora książki Theory of Colours and Vision (1777)^[12].

Zrozumienie powstawania wrażeń barw nie byłoby możliwe bez rozwoju medycyny. Istotny wkład wnieśli m.in.^[13][14][15]:

• Thomas Young (1773–1829) – angielski fizyk i fizjolog, twórca „teorii trójchromatycznej”; za jej prekursora jest uznawany rosyjski fizykochemik Michaił Łomonosow (1711–1765), autor traktatu pt. Słowo o pochodzeniu światła, nową teorię o barwach przedstawiające, 1 lipca 1756 r. rzeczone,
• Hermann von Helmholtz (1821–1894) – niemiecki fizjolog, fizyk i filozof, który poprawił i uzupełnił teorię Younga, tworząc teorię Younga-Helmholtza^[16],
• Ewald Hering (1834–1918) – niemiecki fizjolog, który twierdził, że każda percepcja wzrokowa jest efektem pobudzeń trzech podstawowych substancji fotochemicznych, przy czym każda z nich uczestniczy w powstawaniu wrażenia dwóch barw, zależnie od kierunku przemiany zachodzącej z udziałem światła (rozpad i resynteza, asymilacja i desymilacja)^[17].

Trójchromatyczną teorię Younga–Helmholtza potwierdził James Clerk Maxwell (zob. trójkąt Maxwella), autor m.in. Experiments on Colours (1855) i On the Theory of compound Colours (1860). Badania mieszania promieniowania różnych barw widmowych prowadził również Hermann Grassmann (1809–1877) – nauczyciel matematyki i fizyki z gimnazjum w Szczecinie (polihistor). Uzyskał wyniki pozwalające sformułować prawa addytywnego mieszania, które przedstawił w pracy wydanej w roku 1853 pt. Zur Theorie der Farbmischung (o teorii mieszania barw). „Prawa Grassmanna” są podstawą współczesnej kolorymetrii^[12].

Wiedza o barwach, zgromadzona od odkrycia Newtona, stała się podstawą systemów ich klasyfikacji, traktujących barwy o różnej charakterystyce jako mieszaniny innych barw. Stworzyli je m.in.^[18] malarze Philipp Otto Runge (1777–1810)^[19] i Albert Henry Munsell (1858–1918)^[20][21] oraz fizykochemik i filozof przyrody – Wilhelm Ostwald (1853–1932)^[22][23][21].

Isaac Newton^[8], „Opticks”, 1704

Koła kolorów z roku 1708 (Claude Boutet?)^[24]

Kule barw Rungego^[19] (1777–1810) i Munsella^[20] (1858–1918)

Goethe, 1809^[10][25]

System barw Ostwalda

Wilhelm Ostwald, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w roku 1909 (afiliacja: Uniwersytet w Lipsku), fizykochemik zainteresowany filozofią przyrody i historią chemii, porzucił w roku 1906 pracę akademicką, podejmując w prywatnym laboratorium poszukiwania naukowych podstaw harmonii barw – próby sprecyzowania zasad ich łączenia w sposób analogiczny do łączenia akordów (harmonia dźwięków)^[26], prowadzących do odczuwania piękna (analogicznie do odczuwania piękna muzyki lub poezji)^{[2][23][27][28]}. Pracował nad wydaniem Nauki o barwach w pięciu tomach, poświęconych problemom matematycznym, fizycznym, chemicznym, fizjologicznym (tom napisany przez lekarza) i psychologicznym. Tom piąty nie ukazał się, lecz rozważania dotyczące psychologii zostały opublikowane, m.in. w pracach His Farbfibel (1916, 15 wydań) i Harmoniesucher^[29].

Dążąc do naukowego rozwiązania problemów systematyki i harmonii barw W. Ostwald zgromadził liczne próbki barwników, które wytwarzał we własnym laboratorium^[30]. Barwy usystematyzował inspirując się pracami amerykańskiego malarza, Alberta Munsella^[20], z którym spotkał się w Ameryce w roku 1905.

W systemie Munsella barwę określano podając wartości trzech cech: odcienia H (od ang. Hue), nasycenia C (od ang. Chroma) i waloru V (od ang. Value), czyli stopnia jasności, wyrażanego jako miejsce na 10-stopniowej skali (1 – biel, 10 – czerń). System obejmuje 100 tonów barwy, umieszczonych na kole barw, wyrażonych jako pośrednie między R, Y, G, B od ang. Red, Yellow, Green, Blue, Purple (czerwony, żółty, zielony, niebieski, fioletowy)^[21]. Wilhelm Ostwald zmodyfikował system Munsella umieszczając na kole 24 „barwy pełne” (chromatyczne oznaczone: N = 1, N = 2, …, N = 24). Zastosował „zasadę wzajemnej symetrii”, zgodnie z którą^[31]:

• każda barwa N jest wynikiem addytywnego mieszania barw sąsiednich (N-1 i N+1),
• barwą dopełniającą dla barwy N jest barwa N+12.

Wprowadził też, jako dodatkowe „wielkości wrażenia barwnego” (parametry definiowanej przestrzeni barw), pojęcia udziału („zawartości”) dwóch barw achromatycznych: bieli i czerni. W ten sposób odszedł od kierunku wskazywanego przez Younga, Helmholtza i Maxwella (opis barw: ton, nasycenie, jasność)^[32][23], co jest uznawane za jeden z jego merytorycznych błędów^[33]. Ostwald był tak przekonany o słuszności swojej nowej teorii barw, że osobiście – wbrew zasadom – zgłaszał swoją pracę do wyróżnienia Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki^[28]. Mimo zastrzeżeń dotyczących początkowych przesłanek teoretycznych system Ostwalda cieszył się powodzeniem w praktyce. Był m.in. prototypem opracowanego w latach późniejszych niemieckiego atlasu barw DIN Farbsystem DIN 6164^[34].

Poglądowy model systemu Ostwalda ma formę podwójnego stożka. Jego przekrojami są 24 „trójkąty o jednakowym tonie barw”^[35][36].

Zasada systemu barw Ostwalda^[35][36]

Wierzchołki trójkątów o jednakowym tonie zostały oznaczone symbolami: r – barwa czysta (pełna), b – biel, c – czerń. Boki trójkątów są traktowane jako^[32]:

• b–c – skala szarości,
• b–r – barwy „jasno-przezroczyste”,
• c–r – barwy „ciemno-przezroczyste”.

Zmiany wartości barw na skalach Ostwald wyznaczył kierując się „kryterium równego stopniowania interwału”, wynikającego z prawa Webera-Fechnera (subiektywnie odczuwana różnica między wrażeniami) jest zależna od siły (wielkości) bodźca w sposób logarytmiczny)^[37]. W polu trójkątów linie prostopadłe odpowiadają tzw. „szeregom sczerniałym”, a punkty wewnątrz dwustożka, wyznaczonego przez b–r i c–r – „barwom mętnym” („zszarzałym”)^[32].

Schemat systemu barw Ostwalda^[38]: 1 - linie jednakowej zawartości bieli (b), 2 - linie jednakowej zawartości czerni (c), 3 - linie jednakowej zawartości barwy pełnej (r)

Wnioski z badań dotyczących warunków odczuwania harmonii barw Ostwald przedstawił m.in. graficznie, jako „grupy harmonijne”^[39].

Główne grupy harmonijne w kole barw Ostwalda^[39]

Koncepcje te wywołały protesty artystów-malarzy. Praktycy wskazywali, że odczucie barw jako harmonijnych zależy od wielu dodatkowych czynników, poza uwzględnionymi w systemie, takich jak wielkość sąsiadujących barwnych powierzchni lub warunki w pomieszczeniach, w których dzieło jest prezentowane. Również Ostwald zdawał sobie sprawę z tych zależności, o czym świadczy cytat z jego pracy^[39]:

Uwagi

Przypisy

Bibliografia

• Gerhard Zeugner (tłumaczył Jerzy Rogaczewski): Barwa i człowiek (Farbenlehre fur Maler). Warszawa: Arkady, 1965.
• Adam Zausznica: Nauka o barwie. Warszawa: PWN, 1958.
• Witold Starkiewicz: Psychofizjologia wzroku. Warszawa: Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, 1960.

Linki zewnętrzne

Chenguang Lu, Illustrating color evolution according the decoding model of color vision[1]

• Vision einer ästhetischen Ordnung: Der Ostwaldsche Doppelkege. Das Farbsystem Wilhelm Ostwalds will die Harmonie zwischen Farben in ein allgemeingültiges Gesetz fassen. [w:] Farbimpulse.de [on-line]. Brillux GmbH & Co. KG, 01.09.2004. [dostęp 2014-06-19]. (niem.).
• Helen Thomas, Application of the Ostwald Color System in my painting, Leonardo, Vol. 13, s 11–16, Pergamon Press 1980. Printed in Great Britain
• Gerald C. Huth, A Modern Explanation for Light Interaction with the Retina of the Eye Based on Nanostructural Geometry: Rethinking the Vision Process
• Chenguang Lu's Research on Color Vision