11 La sintesi sottrattiva

Passiamo ora a considerare cosa accade quando la luce che colpisce i recettori sulla retina non proviene direttamente da una sorgente, ma è riflessa da una superficie interposta.

Ai fini della determinazione del colore da parte di un osservatore umano, l'elemento principale da tenere presente in questo caso è la curva di riflessione propria della superficie interposta. Il colore visibile di una qualsiasi superficie dipende infatti dal potere di quella superficie di assorbire una parte della luce ricevuta dall'ambiente e di rimandarne verso l'osservatore la parte non assorbita sotto forma di luce riflessa.

In situazioni prive di informazioni contestuali il colore della luce riflessa verso l'osservatore varierà in funzione del variare delle caratteristiche di intensità e colore della luce emessa dalla sorgente. Tuttavia, il potere riflettente di una superficie, definito per mezzo di una curva di riflessione, è un'informazione che permette di prevedere in certa misura il colore finale percepito dall'osservatore (assunta come sorgente di illuminazione una luce bianca di media intensità, contenente al suo interno l'intera gamma delle lunghezze d'onda dello spettro visibile).

Una curva di riflessione è sostanzialmente una funzione matematica che definisce il grado combinato di eccitazione dei tre tipi di coni della retina. Questa curva può essere tradotta, come mostra il grafico in fig.17, in un diagramma diviso in tre parti, che riporta il grado di eccitazione relativo a ciascun tipo di coni: nel caso illustrato, il colore percepito sarà un verde tendente al giallo (la maggiore stimolazione è nell'area sensibile al verde e, in minor misura, nell'area sensibile al rosso). 

Fig. 17 – Una curva di riflessione è una funzione che rappresenta l'effetto combinato della stimolazione dei tre tipi di coni da parte della luce riflessa da una superficie

La comprensione delle curve di riflessione è il presupposto per capire il motivo per cui una superficie illuminata ci appare, ad esempio, gialla. Vediamo dunque cosa accade, partendo dalle radiazioni emesse da una sorgente di luce bianca. Come abbiamo avuto modo di spiegare parlando dei colori primari, la luce bianca può essere descritta come la combinazione di una luce verde, di una luce rossa e di una luce blu di opportuna frequenza.

Consideriamo l'esempio in figura 18 a partire dalla superficie gialla in alto. Se una superficie illuminata da una luce bianca ci appare gialla, ciò accade perché quella superficie ha una curva di riflessione tale da assorbire la radiazione nello spettro del blu, proveniente dalla luce bianca, e da riflettere verso l'osservatore solo le radiazioni appartenenti allo spettro del verde e del rosso. Queste ultime, combinandosi sulla retina secondo le regole già descritte della sintesi additiva, producono la percezione del giallo.

La superficie color ciano (quella al centro) appare tale, perché assorbe le onde nella frequenza del rosso - nel grafico il raggio luminoso rosso è bloccato appunto dalla superficie color ciano - e rimanda verso l'osservatore le onde nella frequenza del blu e del verde, le quali, combinandosi sulla retina, producono la percezione del ciano. Infine la superficie color magenta (quella in basso) appare tale perché assorbe le radiazioni nella frequenza del verde e riflette le radiazioni nella frequenza del blu e del rosso, che agiscono sulla retina producendo la sensazione del magenta.

Fig. 18 – Una superficie colorata assorbe una parte della luce visibile
e restituisce il resto all'ambiente sotto forma di luce riflessa

Come si evince da questi esempi, anche la visione dei colori determinati dalla riflessione della luce da parte di superfici sottostà alle regole della sintesi additiva, una volta che le luci riflesse abbiano colpito la retina.

Tuttavia, se consideriamo il fenomeno non dalla parte della radiazione riflessa, ma da quella della radiazione assorbita, dobbiamo convenire che le superfici che ci appaiono colorate sottraggono alla nostra visione una parte dello spettro visibile. Sorge quindi il problema, di massima importanza nel campo della pittura e della stampa, di quale effetto produca sulla visione dei colori la combinazione delle proprietà riflettenti (cioè della capacità di assorbire parte della luce) proprie di superfici differenti.

È chiaro che questo discorso non si applica a superfici completamente opache, come legno, metallo, plastica, ecc., le quali finiscono con il nascondere completamente la superficie che ricoprono, ma si applica piuttosto a quei pigmenti – colori, tinture, vernici – che, stemperati, mescolati o diluiti su superfici neutre come la tela o il cartone, combinano le reciproche proprietà riflettenti, producendo nell'osservatore la visione di nuovi colori.

Che colore vedremo, dunque, se mescoliamo su una superficie neutra del giallo e del magenta? Prima ancora che attraverso la prova pratica, realizzata ad esempio mescolando sulla carta o sulla tela dei pigmenti dei colori dati, possiamo ottenere la risposta a questa domanda per mezzo di semplici considerazioni teoriche, effettuate sulla base dello schema illustrato nella figura precedente. Come si può vedere osservando i raggi delle luci riflesse che vanno dalla superficie gialla verso l'osservatore, questa riflette la luce verde e la rossa; la superficie magenta riflette invece la luce blu e la rossa. Mescolando allora fisicamente dei pigmenti giallo e magenta, accadrà che il giallo bloccherà la componente di luce blu riflessa dal magenta, mentre il magenta bloccherà la componente di luce verde riflessa dal giallo. Entrambi i pigmenti continueranno a riflettere la luce nello spettro del rosso e questo è il motivo per cui, amalgamando insieme pigmenti di questi due colori, il colore risultante visto dall'osservatore sarà il rosso. La curva di riflessione combinata del giallo e del magenta è illustrata in fig. 19.

Fig. 19 – Le curve di riflessione del giallo e del magenta, combinate tra loro,
mostrano che la luce riflessa risultante è nello spettro del rosso

Dall'esempio precedente si può ricavare una regola empirica: mescolando tra loro in modo appropriato due pigmenti sufficientemente saturi (tinture, vernici, ecc.), il colore risultante percepito corrisponderà a quella parte dello spettro visibile che entrambi i pigmenti riflettono, mentre sarà cancellata ogni parte della luce visibile che è riflessa da uno soltanto di essi. In base a tale principio, mescolando il ciano e il magenta vedremo il colore blu, che entrambi riflettono. Allo stesso tempo la luce rossa riflessa dal magenta sarà bloccata dal ciano, così come sarà bloccata dal magenta la luce verde riflessa dal ciano. Analogamente, infine, mescolando del ciano con del giallo vedremo il colore verde, mentre verranno assorbite le luci nello spettro del rosso e del blu.

I tre colori di base utilizzati in questi esempi – il ciano, il giallo e il magenta – non sono stati scelti casualmente. Ciascuno di essi ha la proprietà di bloccare, cioè di sottrarre alla vista, uno dei colori primari della sintesi additiva e di riflettere gli altri due. Ciano, giallo e magenta sono perciò considerati i colori primari della sintesi o mescolanza sottrattiva, cioè di quella mescolanza di pigmenti che genera la visione di colori in dipendenza del modo in cui essi riflettono la luce bianca. Come abbiamo avuto modo di constatare poco sopra, la mescolanza di due primari qualsiasi della sintesi sottrattiva genera uno dei primari della sintesi additiva. Gli effetti della combinazione parziale o totale dei colori primari della sintesi sottrattiva sono illustrati in fig. 20. Una bella simulazione di sintesi sottrattiva, con la possibilità di spostare direttamente gli elementi colorati e verificarne gli effetti, è disponibile on line all'indirizzo http://www.explorescience.com/index.cfm (sezione optics).

Fig. 20 – Esempio di sintesi - o mescolanza - sottrattiva

È da notare che, mentre nella sintesi additiva il colore ottenuto dalla combinazione dei tre primari è il bianco, nella sintesi sottrattiva il colore risultante è il nero. Ciò si spiega facilmente: se ognuno dei primari della sintesi sottrattiva ha il potere di assorbire un terzo differente della radiazione visibile, mescolandoli tutti e tre l'intero spettro visibile verrà assorbito e nessuna luce sarà riflessa verso l'osservatore.

A questo punto urge un chiarimento molto importante. Dalle spiegazioni date fin qui, potrebbe sembrare che le mescolanze di colori basate sulla sintesi sottrattiva siano altrettanto prevedibili e definite di quelle basate sulla sintesi additiva. In realtà non è affatto così. La mescolanza sottrattiva reale, purtroppo, deve fare i conti con la natura materiale dei pigmenti e delle superfici utilizzati. Le curve di riflessione dei colori usati nella pittura, ad esempio, sono solo una lontana approssimazione delle curve di riflessione ideali che occorrerebbero per produrre gli effetti teorici descritti negli esempi precedenti. La figura successiva mostra appunto le risposte ideali dei coni della retina per i tre colori primari della sintesi sottrattiva, a confronto con le risposte reali dei coni, suscitate dai pigmenti effettivamente disponibili per i colori ciano, magenta e giallo.

Fig. 21 – Curve di riflessione ideali a confronto con
le curve reali nella sintesi sottrattiva

Come è evidente dai diagrammi di fig. 21, i pigmenti color ciano riflettono la luce verde meno della blu e riflettono anche una certa quantità di luce rossa. La teoria vorrebbe, invece, il 100% di riflessione di luce verde e blu e lo 0% di riflessione di luce rossa. Analogamente il pigmento giallo considerato nella figura riflette la luce verde in misura minore di quella rossa (in luogo del 100% richiesto dalla teoria per entrambe) e riflette anche una notevole quantità di luce blu, che dovrebbe invece essere completamente assorbita.

Gli esempi potrebbero continuare all'infinito. Quel che consegue da questa oggettiva differenza di comportamento tra i pigmenti realmente disponibili e le prescrizioni della teoria, è la progressiva perdita di saturazione risultante dalla mescolanza di pigmenti diversi. Nella mescolanza sottrattiva, infatti, nessun colore ottenuto dalla combinazione di pigmenti può essere più saturo dei suoi componenti e, in generale, dei tre colori primari ciano, magenta e giallo. Ciò perché la saturazione è una caratteristica delle luci spettrali pure, che i colori della sintesi sottrattiva conservano solo nella misura in cui rimangono pure le luci che riflettono verso la retina.

Poiché gli stessi pigmenti usati come colori primari nella sintesi sottrattiva risentono di un difetto di saturazione, dovuto a curve di riflessione che non bloccano completamente nessuna lunghezza d'onda dello spettro visibile, a maggior ragione saranno meno saturi i colori risultanti dalla mescolanza di pigmenti diversi. Il diagramma in fig. 22 illustra il cosiddetto saturation cost, cioè il prezzo in termini di saturazione, che bisogna pagare quando si vogliono mescolare tra loro dei pigmenti. Il cerchio rappresenta la gamma dei colori ottenibili mescolando i tre primari della sintesi sottrattiva. Lungo la circonferenza si trovano i colori più saturi; a mano a mano che si procede verso il centro, occupato dal nero, i colori divengono sempre meno saturi e più scuri. Il colore risultante dalla combinazione di due pigmenti posti sulla circonferenza, si troverà su una corda che attraversa la circonferenza nei due punti occupati dai colori utilizzati: da ciò deriva che, quanto più sono lontani sulla circonferenza i due colori utilizzati, tanto più vicino al centro, e perciò meno saturo e più scuro, sarà il colore risultante dalla loro combinazione.

Fig. 22 – Quanto più due colori sono distanti sulla circonferenza tanto
meno saturo sarà il colore risultante dalla loro combinazione

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Aggiornato Tuesday, 30-Jul-2002 17:18:03 CEST