Üç renkle tüm renkler: üç renk kuramı

Kısa cevap

Gözümüzde renk görmeyi sağlayan üç tür koni vardır ve her ışık, bu üç koni türünde yarattığı üç tepkiye indirgenir; bu yüzden birbirinden çok farklı iki ışık, üç tepkiyi aynı oranda uyarıyorsa aynı renkte görünür. Ekranlar bu gerçekten yararlanır: kırmızı, yeşil ve mavi üç ışığın miktarını ayarlayarak, bir ışığın koniler üzerindeki etkisini taklit ederler ve gözümüz için görünür renklerin büyük bir kısmını üretirler. Ama "tüm renkleri" değil: renk eşleme deneyleri, tayfın saf renklerinin herhangi üç ışığın olumlu karışımıyla tam olarak eşlenemediğini gösterir ve üç renk kuramı, gördüğümüz renklerin karşıtlıklarla örgütlenmesi gibi bazı olguları tek başına açıklayamaz.

Young'ın varsayımı

Üç renk kuramının ilk açık ifadelerinden biri, İngiliz hekim ve fizikçi Thomas Young'ın 1802'de Kraliyet Cemiyeti'nde verdiği konferanstadır. Newton, beyaz ışığın sayısız ara renkten oluşan bir karışım olduğunu göstermişti (BI-03). Young'ın sorusu şuydu: gözün her noktası bu sonsuz renge nasıl karşılık verebilir?

Young'ın önerisindeki üç renk bugün bildiğimiz koni türleriyle aynı değildir ve onun titreşim dili de artık kullanılmaz. Ama fikrin çekirdeği sağlam kaldı: sonsuz sayıda dalga boyu, sınırlı sayıda algılayıcı tarafından, her algılayıcının ne kadar uyarıldığına göre kodlanır. On dokuzuncu yüzyılın ortasında Hermann von Helmholtz bu fikri geliştirdi ve kuram bugün ikisinin adıyla anılır.

Bu üç algılayıcının bugün bilinen karşılıkları, kısa, orta ve uzun dalga konileri ve duyarlılık eğrileri BI-09'un konusudur. Bu ders, üçlü yapının bir sonucuna bakıyor: renkler neden üç sayıyla eşlenebilir?

Renk eşleme deneyi

Üç renk kuramının en doğrudan sınaması, renk eşleme deneyidir.

Deney basittir. Gözlemci küçük, ikiye bölünmüş bir daireye bakar. Bir yarıda tayftan seçilmiş tek renkli bir test ışığı vardır; öbür yarıya kırmızı, yeşil ve mavi üç ana ışık düşürülür ve gözlemci bunların parlaklığını, iki yarı ayırt edilemez hâle gelene kadar ayarlar. Deney tayfın her dalga boyu için tekrarlanır ve her dalga boyu için üç sayı kaydedilir.

Yirminci yüzyılın başında bu deneyler iki bağımsız laboratuvarda dikkatle yapıldı: William David Wright 1929'da tayf renklerinin üç renkli katsayılarını yeniden belirleyen ölçümlerini, John Guild 1931'de tayfın kolorimetrik özelliklerine ilişkin ölçümlerini yayımladı. İki çalışmanın verilerinden türetilen eşleme eğrileri, renk bilimi kütüphanelerinde bugün de 1931 tarihli standart veriler olarak tutulur.

Negatif bir ışık

Renk eşleme deneyleri üç renk kuramını doğruladı, ama bir sürprizle. Tayfın bazı dalga boylarında, hangi üç ana ışık seçilirse seçilsin, üç ışığı olumlu miktarlarda karıştırarak test ışığını tam eşlemek mümkün değildir. Gözlemci ancak ana ışıklardan birini test tarafına eklerse eşleşme sağlanır. Hesapta bu, o ana ışığın miktarının negatif olması demektir.

Wright ile Guild'in verilerinden türetilen renk eşleme fonksiyonlarını hesapladık. Kırmızı ana ışığın eğrisi, yaklaşık 440 ile 545 nanometre arasındaki bütün dalga boylarında negatiftir ve en düşük değerine yaklaşık 515 nanometrede ulaşır. Yeşilimsi mavi ve yeşil tayf ışıklarının tam doygunluğu, hiçbir olumlu kırmızı, yeşil ve mavi karışımıyla elde edilemez; karışım her zaman biraz daha soluk kalır.

Aynı hesabı bugünkü ekranların renk alanı olan sRGB'nin ana renkleriyle yaptık. 520 nanometrelik saf yeşil bir ışığı sRGB'de ifade etmek için kırmızı bileşenin negatif olması gerekir; 470 nanometrelik mavide kırmızı, 580 nanometrelik sarıda ve 620 nanometrelik kırmızıda ise mavi bileşen negatiftir. Denediğimiz tayf ışıklarının hepsinde en az bir bileşen negatif çıktı. Bir ekranın ana renkleriyle üretilemeyen bu renkler, o ekran için gam dışı renklerdir; renk gamlarının karşılaştırılması EK-01 ve EK dizisinin öbür derslerinin konusudur.

Ekranlar neden yalnızca üç renk kullanır?

Kartın sorusunun cevabı iki parçalıdır. Birinci parça gözden gelir: gözümüzde renk görmeyi sağlayan üç koni türü olduğu için, her ışık bu üç koni türünde yarattığı üç tepkiyle özetlenir. Üç tepkiyi aynı oranda uyaran iki ışık, tayfları tamamen farklı olsa bile aynı renkte görünür. Ekran, gerçek sahnenin tayfını yeniden üretmeye çalışmaz; yalnızca o tayfın konilerde yaratacağı üç tepkiyi, üç ışığın uygun karışımıyla yeniden yaratır.

İkinci parça bir ödünleşmedir. Üç ana ışık, konilerin tepkilerini bağımsız olarak ayarlamaya yetecek en az sayıdır; daha az olursa bazı renk farkları hiç üretilemez. Ama üç ışık, yukarıda gördüğümüz gibi görünür renklerin tamamını değil, bu üç ışığın köşelerini oluşturduğu bir üçgenin içini kapsar. Daha geniş bir alanı kapsamak için ya daha doygun ana ışıklar seçilir ya da bazı ekranlar ve projektörler dördüncü ya da beşinci bir ana renk ekler. Çoğu ekranın yalnız üç renkle yetinmesi, üç rengin gözün yapısına yetecek kadar, maliyete ve karmaşıklığa ise en uygun sayı olmasındandır.

Kuramın açıklayamadıkları

Üç renk kuramı, renklerin nasıl eşlendiğini çok iyi açıklar. Ama bir rengin neye benzediğini, yani algının örgütlenmesini tek başına açıklamaz. İnsanlar kırmızımsı bir mavi ya da sarımsı bir yeşil hayal edebilir, ama kırmızımsı bir yeşil ya da sarımsı bir mavi hayal edemez; bir renge uzun süre bakıldığında karşıt renkte bir ardıl görüntü belirir. Bu olgular, konilerden gelen sinyallerin beyinde karşıt çiftler hâlinde yeniden örgütlendiğini düşündürür; bu karşıt süreçler kuramı BI-11'in konusudur. Bugünkü görüşe göre iki kuram birbirinin rakibi değil, görme sisteminin iki ayrı aşamasının açıklamasıdır.

Örnek — bir teni üç sayıyla yazmak

Serinin dört ten örneğini sRGB'nin doğrusal ışık değerlerine çevirdik, yani ekranın kırmızı, yeşil ve mavi ışıklarından ne kadar yakılması gerektiğine. En açık ten F1C7A9 için bu değerler yaklaşık 0,88, 0,57 ve 0,40'tır; C68863 için 0,57, 0,25 ve 0,13; 8D5524 için 0,27, 0,09 ve 0,02; en koyu ten 4A2C1D için ise 0,07, 0,03 ve 0,01. Dört tenin hepsinde üç değer de olumludur: tenler, tayf ışıklarının aksine, ekranın renk üçgeninin içindedir ve üç ışığın olumlu karışımıyla üretilebilir.

İki gözlem öne çıkar. Birincisi, dört tende de kırmızı ışık en büyük, mavi en küçük paydır; tenin sıcaklığı, kırmızı ile yeşil arasındaki farktan ve mavinin azlığından gelir. İkincisi, en koyu tende üç değer de çok küçüktür. Bir ekranın ya da kameranın bu küçük değerleri ne kadar ince adımlarla kodlayabildiği, koyu tenlerin ayrıntısını ve renk doğruluğunu belirler; kaba adımlar, koyu tende küçük renk farklarını birbirine yapıştırır. Üç sayıyla rengi yazmak yeterlidir, ama sayıların hassasiyeti bütün tenlerde aynı ölçüde önemlidir.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Young 1802'de, retinanın her noktasının sınırlı sayıda, örneğin üç tür algılayıcı taşıdığını önerdi; Helmholtz fikri geliştirdi ve kuram bugün ikisinin adıyla anılır.
2. Renk eşleme deneylerinde her ışık üç ana ışıkla eşlenebilir, ama tayfın saf renklerinde ana ışıklardan biri negatif olur; Wright ile Guild'in verilerinde kırmızı eğrisi yaklaşık 440–545 nanometre arasında negatiftir.
3. Ekranlar üç renk kullanır, çünkü gözün üç koni türünün tepkilerini taklit etmek için üç ışık yeterlidir; ama üç ışık görünür renklerin tamamını kapsamaz. Kuram renk eşlemeyi açıklar, ama renklerin karşıtlıklarla örgütlenmesini tek başına açıklamaz.

Kendini sına

1. (Kolay) Young 1802'de retinadaki parçacıklar için hangi üç ana rengi örnek verdi?
2. (Kolay) Renk eşleme deneyinde gözlemci ne yapar?
3. (Orta) Ekranlar neden yalnızca üç renk kullanır?
4. (Orta) Renk eşleme deneylerinde "negatif" bir ana ışık ne anlama gelir?
5. (Zor) Üç renk kuramı hangi olguları tek başına açıklayamaz ve bunlar nasıl açıklanır?
6. (Zor) Dört ten örneğinin doğrusal sRGB değerleri, ekranların ve kameraların koyu tenleri kodlaması hakkında ne söyler?

Cevaplar

1. Kırmızı, sarı ve mavi («Young'ın varsayımı»).
2. Bölünmüş bir görme alanında, bir yarıdaki test ışığını öbür yarıya düşürülen üç ana ışığın miktarlarını ayarlayarak eşler; iki yarı ayırt edilemez hâle gelince üç miktar kaydedilir («Renk eşleme deneyi»).
3. Çünkü gözümüzde renk görmeyi sağlayan üç koni türü vardır ve her ışık bu üç türde yarattığı tepkilerle özetlenir; ekran, sahnenin tayfını değil, bu üç tepkiyi üç ışığın karışımıyla yeniden yaratır. Üç, bunun için gereken en az sayıdır; ama üç ışık görünür renklerin tamamını kapsamaz ve bazı cihazlar bu yüzden ek ana renkler kullanır («Ekranlar neden yalnızca üç renk kullanır?»).
4. Test ışığının, ana ışıkların hiçbir olumlu karışımıyla eşlenemediğini; eşleşmenin ancak ana ışıklardan biri test tarafına eklenerek sağlandığını anlatır. Bu renkler o ana ışıklarla üretilemez, yani gam dışıdır («Negatif bir ışık»).
5. Kırmızımsı yeşil ya da sarımsı mavi hayal edememeyi ve karşıt renkli ardıl görüntüleri; bunlar, koni sinyallerinin beyinde karşıt çiftler hâlinde örgütlendiğini öne süren karşıt süreçler kuramıyla açıklanır ve iki kuram görme sisteminin iki aşamasını anlatır («Kuramın açıklayamadıkları»).
6. Dört tende de üç değer olumludur, yani tenler ekranın üretebileceği renklerdir; ama en koyu tende değerler çok küçüktür. Bu küçük değerlerin ne kadar ince adımlarla kodlandığı, koyu tende ayrıntıyı ve renk doğruluğunu belirler («Örnek — bir teni üç sayıyla yazmak»).

Kaynaklar

• Young, T., «The Bakerian Lecture: On the Theory of Light and Colours», Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 92, 1802, s. 12–48.
• Wright, W. D., «A re-determination of the trichromatic coefficients of the spectral colours», Transactions of the Optical Society, 30(4), 1929, s. 141–164.
• Guild, J., «The colorimetric properties of the spectrum», Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, 230, 1931, s. 149–187.

Sonraki adım

BI-16, üç sayının arkasındaki tayfa dönüyor: bir ışık kaynağının tayfsal güç dağılımını ve bir yüzeyin yansıma tayfını nasıl okuyacağımızı, spektrofotometre ile kolorimetrenin farkını ve iki farklı tayfın neden aynı renk değerini verebileceğini anlatıyor. Karşıt renk çiftlerinin neden birbirini dışladığı sorusu için BI-11'e geç.