Все окружающие нас цвета можно получить, если смешать три основных цвета. Это наш мозг мастерски «собирает» их в единую картину. На этом «обмане» основана и красота художественных картин, и принцип работы мониторов. Но обо всём по порядку.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №9(25). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Картины старых мастеров восхитительны! Тонкая игра светотеней и полутонов, очаровательный румянец на щёчках придворных красавиц, мельчайшие детали, прописанные со всем старанием — всё это не может не радовать. Не зря эти полотна, создававшиеся месяцами, а то и годами, сегодня стоят больших денег.

Но почему их писали так долго? Дело в технике: много времени уходило на подбор и смешивание красок, приходилось долго ждать, когда высохнут полупрозрачные слои. Поэтому о динамичных сюжетах старым художникам приходилось только мечтать. Их творения подобны бабочке, застывшей в янтаре — есть детали, но нет движения.

Импрессионисты (от французского impression — впечатление) во второй половине XIX века совершили художественную революцию, попытавшись отразить на холсте сиюминутность момента, когда ветер, шевелящий цветы на роскошной клумбе, не может ждать, пока высохнет краска. Отсюда следует новый технический приём: каждый мазок надо наносить максимально быстро, используя ограниченное число чистых красок и не тратя драгоценное время на смешивание и поиск нужного оттенка.

Если неискушённый зритель приблизится насколько возможно к полотнам — например, Клода Моне, одного из ярчайших представителей импрессионизма — он будет удивлён бесформенной и бессмысленной какофонией красок, совершенно непохожей на фотографичность работ старых мастеров. Но стоит отойти подальше, как этот красочный хаос превращается в трепещущий на ветру уголок сада где-нибудь в южной Франции!

Секрет прост: импрессионисты смешивали краски не на палитре и холсте, а «в глазу зрителя»! Например, небольшие синие и жёлтые мазки на большом расстоянии дают зелёный цвет, а красный и жёлтый порождают оранжевый. Точно так же поступает и вся современная полиграфия, беззастенчиво «обманывая» читателя: всё многоцветие природы можно воспроизвес­ти, используя всего 3 (три) краски — голубую (cyan), пурпурную (magenta) и жёлтую (yellow). Правда, хитрые печатники используют ещё одну краску — чёрную, для печати текста.

Каким образом эта техника вдохновила инженеров на создание современных мониторов? Наше зрение максимально прис­пособлено к отражённому свету. Другое дело, что приемлемых способов строить динамичное изображение из светоотражающих объектов тогда не было — электронная «бумага» появилась сравнительно недавно и широкого применения, кроме «читалок», пока не нашла.

Впрочем, принципы формирования цвета у отдельной точки, называемой пикселем (pixel, от английского picture element) у современной отобразительной техники остались неизменными. Это всё та же триада RGB (Red-Green-Blue), выросшая из ньютоновской спектральной полосы, «зашифрованной» как в солнечном свете, так и в строении человеческого глаза с тремя типами светочувс­твительных колбочек, отвечающих за формирование цветной картинки в нашем мозге. А теоретический фундамент заложил великий Джеймс Максвелл, предложивший так называемую ­аддитивную (то есть суммирующую) модель формирования цвета.

Помните, вначале мы говорили о живописи Клода Моне? Так вот: цветной монитор — это самый настоящий «импрессионист», всего из трёх красок создающий потрясающие реализмом изображения! Подобно архитектору, строящему из неотличимых кирпичей уникальные здания, все изображения состоят из одинаковых «кирпичиков»-пикселей. Пиксели образуют растр — частую решётку, ячейками которой и являются.

Важно понимать, что пиксель — это не физическая частица картинки, а виртуальная, которая фактически имеет всего один параметр — цвет, причём не обязательно чисто красный или зелёный. В мониторах он создаётся связкой из трёх элементарных «фонариков» (красного, зелёного и синего), каждый из которых независим от «коллег». Когда эта микросвязка не светится, то пиксель чёрный, если все элементы сияют в полную силу — белый (вспомните аддитивное и субтрактивное смешение).

Понятно, что в таком режиме изображения фотографического качества с обилием полутонов не получится — только отдельные символы (буквы и цифры, например) и картинки на манер гравюр или рисунков тушью. Чтобы приблизиться к визуальному реализму, надо решить простую на словах, но сложную в реализации, задачу: каждый «фонарик» из триады RGB должен светиться не в стиле «вкл-выкл», с переменной яркостью, зависящей от приложенного тока. В идеале в каждый момент времени его яркость должна иметь строго определённое значение из заданного набора.

Человеческий глаз улавливает электромагнитные излучения в диапазоне длин волн 400—750 нм (видимое излучение). На самом деле чувствительность сетчатки шире, она ограничена низкой прозрачностью хрусталика, это защищает глаз от разрушительного действия ультрафиолета.

На самом деле такой набор есть, но существует физическая проблема в его реализации: пока сигнал очень слабый, пиксель не успевает «разогреться» и остается тёмным, не реагируя на управляющие команды. Вблизи пиковых значений ситуация повторяется с точностью «до наоборот» — с некоторого предела изменения управляющего тока уже не влияют на уровень яркости. Такой нелинейный характер реакции приводит к тому, что в самых тёмных и светлых областях невозможно ничего различить (либо слишком темно, либо слишком ярко).

Итак, что мы имеем? Любое изображение на экране разбивается на маленькие элементы-пиксели, имеющие строго определённый цвет. Этот элемент создаётся группой излучений трёх цветов: красного, зелёного и синего. При этом интенсивность каждого из них может иметь 256 градаций. В итоге количество отображаемых цветов достигает 16 777 216 ( 23х8), что больше, чем может различить средний человек. Эта модель кодирования цвета получила название TrueColor. В дальнейшем сложность кодирования была повышена до 2 байт на каждый канал (система DeepColor), что в итоге дало целых 48 бит цветовой информации на пиксель, а количество теоретически передаваемых цветов перевалило за несколько миллиардов! Впрочем, система DeepColor до сих пор фактически остаётся уделом специалистов по обработке графической информации, например, в астрофотографии или в кинопроизводстве. Для быта вполне хватает старого доброго TrueColor, тем более далеко не все дешёвые мониторы и дисплеи способны отображать его полностью.

У полиграфистов дела обстоят хуже. В растровых ячейках (их можно заметить, если рассмотреть журнальную фотографию в увеличительное стекло) роль цветового канала-«фонарика» выполняют мельчайшие капли одной из красок (cyan, magenta, yellow), расставленные в квадратике в определённом порядке. Если капли густо усеивают квадратик растра, то его тон кажется насыщенным, если же их мало — то он воспринимается бледным и слабым. Степень заполнения в печати выражается в процентах, то есть полиграфисты оперируют гораздо меньшим диапазоном уровней — теоретически их 100% (100% означает, что квадрат заполнен краской целиком), но на деле их не больше 85–90%.

Интенсивность цвета подпиксель электронного изображения имеет 256 градаций, если помните. Поэтому изображения даже на дешёвом современном мониторе выглядят гораздо живее и естественней, чем отпечатанные на самой высококачественной бумаге в самой «крутой» типографии. Что уж тогда говорить о флагманских мониторах ценой с автомобиль среднего класса? Но есть один существенный нюанс: жидкокристаллические мониторы, уверенно и безоговорочно вытеснившие электронно-лучевые трубки, всё равно остаются устройствами излучающими, а не отражающими свет, и в этом смысле ненормальны для наших глаз.

Ещё в 1966 году коллектив американских офтальмологов под руководством знаменитого профессора Вернера Ноэлла установил, что повреждения сетчатки при воздействии прямого света могут иметь не только травматический (так Галилей чуть не лишился зрения, посмотрев в телескоп на Солнце), но и дегенеративный характер. Результаты большой серии опытов на крысах показали, что длительное прямое воздействие излучения ламп искусственного света средней мощности сильно ускоряет процесс старения сетчатки.

Поэтому даже разрекламированные дисплеи Retina (то есть «сетчатка» по-английски) фирмы Apple по сути недалеко ушли от ветхозаветных кинескопов, заменив самосвечение разноцветного люминофора на поворотные шторки из жидких кристаллов на пути постоянного светового потока от светодиодной матрицы. Принцип «смотреть на свет, а не на его отражение» всё равно остался.

Дисплей Retina под микроскопом

На этом фоне показателен успех электронных читальных устройств на базе технологии E-ink («электронных чернил»), мировые продажи которых стабильно растут уже несколько лет. Даже сверхнасыщенность рынка гаджетов (планшетов и смартфонов), также дающих возможность ещё и читать, не сильно влияет на предпочтения покупателей. Возможность воспринимать информацию естественным образом дорогого стоит. А когда «электронные чернила» (вернее, то, что придёт им на смену) преодолеют нынешние недостатки — медлительность, ограниченный диапазон полутонов, сложности с построением цветных изображений,— эра ЖК уйдёт в прошлое, и мы, наконец, перестанем издеваться над своим зрением.