Obvykle jsou zahrnuty pouze rysy složení světla, které jsou zjistitelné člověkem (spektrum vlnových délek zhruba od 400 nm do 700 nm), a tím objektivně souvisí psychologický jev barvy s její fyzikální specifikací.
Protože vnímání barvy vychází z různé citlivosti různých typů kuželových buněk v sítnici na různé části spektra, mohou být barvy definovány a kvantifikovány podle toho, do jaké míry stimulují tyto buňky. Tyto fyzikální nebo fyziologické kvantifikace barvy však plně nevysvětlují psychofyzikální vnímání barevného vzhledu.
Věda o barvách se někdy nazývá chromatika. Zahrnuje vnímání barev lidským okem a mozkem, původ barev v materiálech, teorii barev v umění a fyziku elektromagnetického záření ve viditelném rozsahu (tedy to, co běžně označujeme jednoduše jako Světlo).
Kontinuální optické spektrum (určeno pro monitory s gama 1,5).
Elektromagnetické záření je charakterizováno svou vlnovou délkou (nebo frekvencí) a intenzitou. Je-li vlnová délka ve viditelném spektru (rozsah vlnových délek, které mohou lidé vnímat, přibližně od 380 nm do 740 nm), označuje se jako „viditelné světlo“.
Barva je důležitou součástí výtvarného umění.
Intenzita spektrální barvy může značně změnit její vnímání; například oranžovo-žlutá s nízkou intenzitou je hnědá a žluto-zelená s nízkou intenzitou je olivově zelená.
Diskuse o nespektrálních barvách viz níže.
Oranžový disk a hnědý disk mají přesně stejnou objektivní barvu a jsou v identických šedých obklopeních; na základě rozdílů v kontextu lidé vnímají čtverce jako čtverce s různými odrazy a mohou interpretovat barvy jako různé barevné kategorie; viz stejné barevné iluze.
Barva objektu závisí jak na fyzice objektu v jeho okolí, tak na vlastnostech vnímajícího oka a mozku. Fyzicky lze říci, že objekty mají barvu světla, které opouští jejich povrchy, což obvykle závisí na spektru tohoto světla a dopadajícího osvětlení, stejně jako potenciálně na úhlech osvětlení a pohledu. Některé objekty nejen odrážejí světlo, ale také světlo vysílají nebo vyzařují světlo samy (viz níže), které také přispívají k barvě. A divákovo vnímání barvy objektu závisí nejen na spektru světla, které opouští jeho povrch, ale také na řadě kontextuálních podnětů, takže barva bývá vnímána jako relativně konstantní: tedy relativně nezávislá na spektru osvětlení, úhlu pohledu atd. Tento efekt je známý jako stálost barev.
Lze provést některá zobecnění fyziky, prozatím opomíjející percepční efekty:
Pro další zpracování barvy objektů, viz strukturální barvy, níže.
Shrneme-li to, barva objektu je komplexním výsledkem jeho povrchových vlastností, jeho transmisních vlastností a jeho emisních vlastností, přičemž všechny tyto faktory přispívají ke skladbě vlnových délek ve světle opouštějícím povrch objektu. Vnímaná barva je pak dále podmíněna povahou okolního osvětlení a barevnými vlastnostmi ostatních objektů v okolí, prostřednictvím efektu známého jako stálost barev a prostřednictvím dalších charakteristik vnímajícího oka a mozku.
Normalizované typické reakce lidských kuželových buněk (typy S, M a L) na monochromatické spektrální podněty
Vývoj teorií barevného vidění
Ve stejné době jako Helmholtz vyvinul Ewald Hering oponentní teorii barevného procesu s tím, že barvoslepost a dozvuky obvykle přicházejí v oponentních párech (červeno-zelená, modro-žlutá a černo-bílá). Nakonec byly tyto dvě teorie syntetizovány v roce 1957 Hurvichem a Jamesonem, kteří ukázali, že retinální zpracování odpovídá trichromatické teorii, zatímco zpracování na úrovni laterálního genikulového jádra odpovídá oponentní teorii.
V roce 1931 vyvinula mezinárodní skupina odborníků známá jako Commission Internationale d’Eclairage (CIE) matematický barevný model, který mapoval prostor pozorovatelných barev a každému přiřadil sadu tří čísel.
Schopnost lidského oka rozlišovat barvy je založena na různé citlivosti různých buněk v sítnici na světlo různých vlnových délek. Sítnice obsahuje tři typy barevných receptorových buněk neboli čípků. Jeden typ, poměrně odlišný od druhých dvou, nejvíce reaguje na světlo, které vnímáme jako fialové, s vlnovou délkou kolem 420 nm. (Kuželům tohoto typu se někdy říká kužely s krátkou vlnovou délkou, S čípky nebo, zavádějícím způsobem, modré čípky.) Další dva typy jsou blízce příbuzné geneticky a chemicky. Jeden z nich (někdy nazývaný kužely s dlouhou vlnovou délkou, L čípky nebo, zavádějícím způsobem, červené čípky) je nejcitlivější na světlo, které vnímáme jako žlutozelené, s vlnovou délkou kolem 564 nm; druhý typ (někdy nazývaný kužely se střední vlnovou délkou, M čípky nebo, zavádějícím způsobem, zelené čípky) je nejcitlivější na světlo vnímané jako zelené, s vlnovou délkou kolem 534 nm.
Světlo, bez ohledu na to, jak složité je jeho složení vlnových délek, je okem redukováno na tři barevné složky. Pro každé místo ve vizuálním poli poskytují tyto tři typy kuželů tři signály podle toho, do jaké míry je každý z nich stimulován. Tyto hodnoty se někdy nazývají tristimulační hodnoty.
Křivka odezvy jako funkce vlnové délky pro každý typ kužele je znázorněna výše. Protože se křivky překrývají, některé hodnoty tristimulu se nevyskytují pro žádnou příchozí světelnou kombinaci. Například není možné stimulovat pouze střední vlnovou délku/“zelené“ kužely, ostatní kužely budou nevyhnutelně stimulovány do určité míry ve stejnou dobu. Soubor všech možných hodnot tristimulu určuje barevný prostor člověka. Odhaduje se, že člověk dokáže rozlišit zhruba 10 milionů různých barev.
Jiný typ světlocitlivé buňky v oku, tyčinka, má jinou křivku odezvy. V normálních situacích, kdy je světlo dostatečně jasné, aby silně stimulovalo kužely, nehrají tyčinky v zorném poli prakticky žádnou roli. Na druhé straně při slabém osvětlení jsou kužely poddimenzovány a zanechávají pouze signál z tyčinek, což vede k bezbarvé odezvě. (Navíc tyčinky jsou v „červeném“ rozsahu sotva citlivé na světlo.) Za určitých podmínek středního osvětlení může odezva tyčinky a slabá odezva kuželu společně vést k rozlišení barev, které není započítáno pouze odezvami kuželů.
Vizuální dorzální proud (zelený) a ventrální proud (fialový). Za vnímání barev je zodpovědný ventrální proud.
Přesná povaha vnímání barev nad rámec již popsaného zpracování, a vlastně postavení barvy jako rysu vnímaného světa nebo spíše jako rysu našeho vnímání světa, je otázkou složitého a pokračujícího filozofického sporu (viz kvalia).
Nestandardní vnímání barev
Pokud jeden nebo více typů barevných kuželů osoby chybí nebo méně reagují na přicházející světlo než normálně, může tato osoba rozlišit méně barev a říká se, že je barevně nedostatečná nebo barvoslepá (i když tento druhý termín může být zavádějící; téměř všichni barevně nedostateční jedinci mohou rozlišit alespoň některé barvy). Některé druhy barevných nedostatků jsou způsobeny anomáliemi v počtu nebo povaze kuželů v sítnici. Jiné (jako centrální nebo kortikální achromatopsie) jsou způsobeny nervovými anomáliemi v těch částech mozku, kde probíhá vizuální zpracování.
Zatímco většina lidí je trichromatická (má tři typy barevných receptorů), mnoho živočichů, známých jako tetrachromaty, má čtyři typy. Patří mezi ně některé druhy pavouků, většina vačnatců, ptáků, plazů a mnoho druhů ryb. Jiné druhy jsou citlivé pouze na dvě barevné osy nebo nevnímají barvu vůbec; ty se nazývají dichromaty, respektive monochromaty. Rozlišuje se mezi retinální tetrachromacií (má čtyři pigmenty v buňkách čípku v sítnici, oproti třem v trichromatu) a funkční tetrachromacií (má schopnost vytvářet zvýšené rozlišení barev na základě tohoto rozdílu sítnice). Až polovina všech žen, ale jen malé procento mužů, jsou retinální tetrachromaty. Tento jev vzniká, když jedinec obdrží dvě mírně odlišné kopie genu buď pro čípky střední nebo dlouhé vlnové délky, které jsou neseny na chromozomu x, což vysvětluje rozdíly mezi pohlavími. U některých z těchto retinálních tetrachromatů dochází ke zvýšení rozlišení barev, což z nich dělá funkční tetrachromaty.
U některých forem synestézie vede vnímání písmen a čísel (grapheme-color synestézie) nebo slyšení hudebních zvuků (music-color synestézie) k neobvyklým dodatečným zážitkům vidění barev. Behaviorální a funkční neurozobrazovací experimenty prokázaly, že tyto barevné zážitky vedou ke změnám v behaviorálních úkolech a vedou ke zvýšené aktivaci mozkových oblastí zapojených do vnímání barev, čímž demonstrují jejich realitu a podobnost s reálným vnímáním barev, i když evokovaným nestandardní cestou.
Po vystavení silnému světlu v rozsahu jejich citlivosti se fotoreceptory daného typu znecitliví. Po dobu několika sekund poté, co světlo ustane, budou nadále signalizovat méně silně, než by tomu bylo jinak. Barvám pozorovaným během tohoto období bude zřejmě chybět barevná složka detekovaná znecitlivěnými fotoreceptory. Tento efekt je zodpovědný za jev pozůstatků, kdy oko může nadále vidět jasnou postavu poté, co od ní odvrátí zrak, ale v doplňkové barvě.
Afterimage efekty využili také umělci, včetně Vincenta van Gogha.
Zajímavý jev nastává, když umělec používá omezenou barevnou paletu: oko má tendenci to kompenzovat tím, že vidí jakoukoli šedou nebo neutrální barvu jako barvu, která na barevném kolečku chybí. Např. v omezené paletě skládající se z červené, žluté, černé a bílé se objeví směs žluté a černé jako odrůda zelené, směs červené a černé se objeví jako odrůda fialové a čistě šedá se objeví namodralá.[Jak na odkaz a odkaz na shrnutí nebo text]
Barvy se liší několika různými způsoby, včetně odstínu (červená vs. oranžová vs. modrá), sytosti, jasu a lesku. Některá barevná slova jsou odvozena od názvu objektu této barvy, jako „oranžová“ nebo „lososová“, zatímco jiná jsou abstraktní, jako „červená“.
Různé kultury mají různé termíny pro barvy a mohou také přiřadit některé názvy barev mírně odlišným částem spektra: například čínský znak 青 (v čínštině qīng a v japonštině ao) má význam, který zahrnuje jak modrou, tak zelenou; modrá a zelená jsou tradičně považovány za odstíny „青“.
Ve studii Basic Color Terms: Their Universality and Evolution z roku 1969 Brent Berlin a Paul Kay popisují vzor v pojmenování „základních“ barev (jako „červená“, ale ne „červeno-oranžová“ nebo „tmavě červená“ nebo „krvavě červená“, což jsou „odstíny“ červené). Všechny jazyky, které mají dva „základní“ názvy barev, rozlišují tmavé/chladné barvy od světlých/teplých. Další barvy, které se rozlišují, jsou obvykle červená a pak modrá nebo zelená. Všechny jazyky se šesti „základními“ barvami zahrnují černou, bílou, červenou, zelenou, modrou a žlutou. Vzor drží až sadu dvanácti: černá, šedá, bílá, růžová, červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá, fialová, hnědá a azurová (v ruštině a italštině, ale ne v angličtině, se liší od modré).
Jednotlivé barvy mají různé kulturní asociace, jako jsou národní barvy (obecně popsané v jednotlivých barevných článcích a barevné symboliky). Obor psychologie barev se pokouší identifikovat účinky barev na lidské emoce a aktivitu. Chromoterapie je forma alternativní medicíny připisovaná různým východním tradicím.
Pokud se barevné spektrum umělého osvětlení neshoduje se spektrem slunečního světla, mohou se objevit účinky na materiální zdraví, včetně zvýšeného výskytu bolestí hlavy. Tento jev je často spojen s nepříznivými účinky nadměrného osvětlení, protože mnoho stejných vnitřních prostor, které mají barevné neshody, mají také vyšší intenzitu světla, než je žádoucí pro úkol, který je v tomto prostoru prováděn.
Měření a reprodukce barev
Vztah ke spektrálním barvám
Schéma barevné prostorové chromatičnosti CIE 1931. Vnější zakřivená hranice je spektrální (nebo monochromatický) lokus s vlnovými délkami zobrazenými v nanometrech. Všimněte si, že zobrazené barvy závisí na barevném prostoru zařízení, na kterém si snímek prohlížíte, a proto nemusí být striktně přesnou reprezentací barvy na určité pozici, a zejména ne pro monochromatické barvy.
Samozřejmě existuje mnoho barevných vjemů, které podle definice nemohou být čistě spektrální barvy kvůli desaturaci nebo proto, že jsou fialové (směsi červeného a fialového světla, z opačných konců spektra). Některé příklady nutně nespektrálních barev jsou achromatické barvy (černá, šedá a bílá) a barvy jako růžová, béžová a purpurová.
Podobně většina vnímání lidských barev může být generována směsí tří barev nazývaných primáry. Ta se používá k reprodukci barevných scén ve fotografii, tisku, televizi a dalších médiích. Existuje řada metod nebo barevných prostorů pro určení barvy z hlediska tří konkrétních základních barev. Každá metoda má své výhody a nevýhody v závislosti na konkrétním použití.
Žádná směs barev však nemůže vytvořit zcela čistou barvu vnímanou jako zcela identickou se spektrální barvou, i když u delších vlnových délek se lze dostat velmi blízko, kde má výše uvedený chromatický diagram téměř rovný okraj. Například smícháním zeleného světla (530 nm) a modrého světla (460 nm) vzniká azurové světlo, které je mírně desaturované, protože odezva receptoru červené barvy by byla větší na zelené a modré světlo ve směsi než na čisté azurové světlo při 485 nm, které má stejnou intenzitu jako směs modré a zelené.
Kvůli tomu a také proto, že primárky v systémech barevného tisku obecně nejsou samy o sobě čisté, reprodukované barvy nejsou nikdy dokonale syté barvy, a tak spektrální barvy nemohou být přesně sladěny. Nicméně přírodní scény zřídkakdy obsahují plně syté barvy, takže takové scény mohou být těmito systémy obvykle dobře aproximovány. Rozsah barev, které mohou být reprodukovány s daným systémem barevné reprodukce, se nazývá gamut. K popisu gamutu lze použít diagram chromatičnosti CIE.
Další problém systémů reprodukce barev je spojen s akvizičními zařízeními, jako jsou kamery nebo skenery. Charakteristiky barevných senzorů v zařízeních jsou často velmi vzdálené charakteristikám receptorů v lidském oku. Ve výsledku může být získávání barev, které mají nějaké speciální, často velmi „zubaté“ spektrum způsobené například neobvyklým osvětlením fotografované scény, poměrně špatné.
Druhy, které mají barevné receptory odlišné od lidí, např. ptáci, kteří mohou mít čtyři receptory, mohou odlišit některé barvy, které vypadají stejně pro člověka. V takových případech může systém reprodukce barev ‚naladěný‘ na člověka s normálním barevným viděním dávat velmi nepřesné výsledky pro ostatní pozorovatele.
Dalším problémem je odlišná barevná odezva různých zařízení. U barevných informací uložených a přenesených v digitální podobě pomáhá technika správy barev založená na barevných profilech připojených k barevným datům a k zařízením s odlišnou barevnou odezvou zabránit deformacím reprodukovaných barev. Technika funguje pouze u barev v gamutu konkrétních zařízení, např. stále se může stát, že vám monitor nebude schopen ukázat skutečnou barvu vaší zlaté rybky, i když váš fotoaparát dokáže správně přijímat a ukládat barevné informace a naopak.
Pigmenty a reflexní média
Pigmenty jsou chemické látky, které selektivně pohlcují a odrážejí různá spektra světla. Když je povrch natřen pigmentem, odráží se světlo dopadající na povrch minus některé vlnové délky. Toto odečítání vlnových délek vytváří vzhled různých barev. Většina barev je směsí několika chemických pigmentů, které mají vytvořit odraz dané barvy.
Strukturální barvy jsou barvy způsobené interferenčními efekty spíše než pigmenty. Barevné efekty vznikají, když je materiál rýhován jemnými rovnoběžnými čarami, tvořenými tenkou vrstvou nebo dvěma či více rovnoběžnými tenkými vrstvami, nebo jinak složenými z mikrostruktur na škále vlnové délky barvy. Pokud jsou mikrostruktury rozmístěny náhodně, světlo kratších vlnových délek bude rozptýleno přednostně, aby vznikly barvy Tyndallova efektu: modrá obloha, lesk opálů a modrá lidská duhovka. Pokud jsou mikrostruktury zarovnány do polí, například pole jam v CD, chovají se jako difrakční mřížka: mřížka odráží různé vlnové délky v různých směrech v důsledku interferenčních jevů a odděluje smíšené „bílé“ světlo na světlo různých vlnových délek. Pokud je struktura jedna nebo více tenkých vrstev, pak bude odrážet některé vlnové délky a přenášet jiné v závislosti na tloušťce vrstev.
Strukturální barva je zodpovědná za modrou a zelenou barvu peří mnoha ptáků (například sojky modré), stejně jako některých motýlích křídel a krunýřů brouků. Odchylky v rozestupech vzoru často vyvolávají duhový efekt, jak je vidět u pavích per, mýdlových bublin, olejových filmů a perleti, protože odražená barva závisí na úhlu pohledu. Peter Vukusic prováděl výzkum motýlích křídel a krunýřů brouků pomocí elektronové mikrografie a od té doby pomohl vyvinout řadu „fotonické“ kosmetiky využívající strukturální barvu.
Strukturální barva je studována v oblasti tenkovrstvé optiky. Laický termín, který popisuje zejména nejvíce uspořádané nebo nejvíce proměnlivé strukturální barvy, je duhový.