Alle kleuren van de regenboog en meer – Reinier's Blog (2024)

Fotohandleidingen: kookboeken zonder theorie

N.B. Deze pagina is in de loop van de afgelopen maanden een soort slecht gestructureerde lappendeken geworden. Ik ben nu bezig de informatie opnieuw in te delen en de pagina binnenkort te vervangen.

Ik houd van fotograferen en ik houd van foto’s bewerken. Bij dat laatste gebruik ik Lightroom. En ik koop er af een toe wat boeken naast. De meeste boeken zijn gewoon kookboeken. Als je de recepten volgt, krijg je goede resultaten, maar je weet eigenlijk nauwelijks waarom. Je mist inzicht in de theorie van licht en kleur. Dat wreekt zich als je moeilijke problemen wilt oplossen, zoals het restaureren van verkleurde foto’s. Mijn kennis over kleuren en licht heb ik uit verschillende bronnen gehaald. Hier vat ik die even samen. Misschien handig voor anderen.

PS 2024: als ik de uitstekende boeken van Michael Freeman wat eerder had gehad, dan was me veel werk bespaard gebleven. Hij geeft wel de goede achtergrondinformatie op basis waarvan je zelf beslissingen kunt nemen en niet alleen van die recepten om slaafs uit te voeren.

De kleuren van de regenboog: spectrale kleuren

Iedereen kent de kleuren van de regenboog, de kleuren die ontstaan als je wit licht door een prisma (of door regendruppeltjes) in componenten splitst. Op het bijgaande voorbeeld zien we links violet en rechts rood en daartussen alle kleuren van de regenboog: blauw, groen, geel, oranje, rood. Deze corresponderen met toenemende golflengtes: blauw 450 nm, groen 520 nm, geel 570 nm, oranje 610 nm en rood 700 nm. Onder de 400 nm (ultraviolet) en boven de 750 nm (infrarood) kunnen mensen niet zien. Sommige dieren wel.

In de regenboog zijn alle kleuren verzadigd. De ‘kleur’ grijs en mengsels van verzadigde kleuren en grijs (de onverzadigde kleuren) komen in de regenboog niet voor. Het zijn extra-spectrale kleuren. Extra-spectrale kleuren zijn gedefinieerd als alle kleuren die niet uit mengsels van monochromatisch licht en wit licht kunnen kunnen ontstaan. Hieronder worden andere extra-spectrale kleuren behandeld, die als een mengsel van rood en blauw ontstaan.

Het menselijk oog: drie kleuren als basis

Het menselijk oog heeft drie soorten kleurgevoelige cellen: één vooral gevoelig voor blauw, één met de hoogste gevoeligheid voor groen, en één vooral voor rood. Overigens reageren in veel kleurgebieden twee of drie soorten cellen gelijktijdig. Ook bij puur rood licht geeft de groene receptorcel nog een signaal af.

Bij puur blauw licht reageren de groene en rode cellen ook nog zwak. Op deze manier kunnen wij licht van één golflengte goed zien, de hele schakering van violet naar rood. Maar we kunnen ook mengkleuren zien.

Tussenkleuren en mengkleuren

Een groenblauwe kleur is bijvoorbeeld een kleur van 490 nm. Deze activeert de verschillende lichtgevoelige cellen zodat wij ‘groenblauw’ ervaren. Precies dezelfde ervaring geeft een mengsel van groen (525 nm) en blauw (450 nm). Dat activeert precies dezelfde cellen in (bijna: zie hieronder) dezelfde verhouding. Dat geldt ook voor de kleuren tussen groen en rood: een mengsel van groen (500 nm) en rood (660) wordt (bijna) precies waargenomen als geel met de golflengte 580 nm. Tussenkleuren en mengkleuren zijn door het oog vrijwel niet van elkaar te onderscheiden. Een computerscherm werkt met mengkleuren: alle niet primaire kleuren worden samengesteld als mengsel van rode, groene en blauwe pixels. Dat is meestal een goed benadering, maar niet alle kleuren kunnen op basis van deze basiskleuren precies zo worden gemengd zodat ons oog geen enkel verschil ziet tussen een kleur van een bepaalde golflengte en het mengsel dat deze kleur wil weergeven. Zie verderop over kleuren buiten de RGB-ruimte.

Kleuren die in de regenboog ontbreken

Kleuren met een kortere golflengte dan blauw neemt het oog waar als een mengsel van blauw en rood, violette kleuren. Een violette kleur van 400 nm ziet het oog als een RGB(111,0,166), een violette kleur met een geringe lichtheid 83. Bij nog kleinere golflengtes wordt neemt het aandeel rood toe en wordt de kleur nog donkerder, totdat we onder 380 nm alleen maar zwart zien: infrarood. Als we een mengsel van rood en blauw in dezelfde verhouding RGB(111,0,166) mengen, dan zien we dezelfde donkere violette kleur. We kunnen die kleur veel lichter maken door een maximale hoeveelheid blauw te gebruiken RGB(170,0,255). Dan ziet het oog een veel lichtere violette kleur. Het is echter niet mogelijk om deze kleur met één kleur licht te realiseren. Er bestaat geen golflengte die de lichtgevoelige cellen in het oog zo sterk tegelijk op rood en blauw in die verhouding laat reageren. Het is een extra-spectrale kleur.

Dat geldt voor de meeste verhoudingen tussen rood en blauw licht: er ontstaan paarse kleuren die niet in de regenboog te vinden zijn. Deze ‘kleuren’ zijn een construct van het menselijk oog. Ze hebben geen eigen golflengte. Ze zijn een mengsel van twee golflengtes (rood en blauw). Het oog middelt deze golflengtes niet. Zou het oog dat wel doen, dan zouden we in plaats van paars een groene of gele kleur zien. Zie ook deze pagina.

Terwijl de kleuren van de regenboog een lineaire reeks vormen van korte (violet) naar lange (rood) golflengte, zijn de kleuren die het oog ziet in een driehoek of een wiel te rangschikken. Als we het wiel in zes taartpunten indelen, dan bevatten vijf taartpunten de kleuren van de regenboog. De zesde taartpunt bevat de mengkleuren van rood en blauw zoals het oog die waarneemt. De meeste van die kleuren hebben geen eigen golflengte. Zie hier voor een uitgebreidere bespreking.

Het kan ook handig zijn de kleuren in een driehoek te plaatsen met de hoekpunten rood, blauw en groen en op de zijden de mengkleuren: blauw+groen = cyaan, groen + rood = geel en rood + blauw = magenta (paars). De kleuren cyaan, magenta, geel vormen de driehoek voor subtractieve kleuren. Een printer zal rood maken door een inktmengsel van geel en magenta bijvoorbeeld. De kleur magenta, een menging van rood en blauw licht is een extraspectrale kleur: een construct van het oog. Magenta licht bestaat niet.

Kleuren buiten de RGB-ruimte

Niet alle spectrale kleuren kunnen door een mengsel van drie primaire kleuren worden gecreëerd. Een mengsel van groen en rood benadert de kleur oranje van 610 nm heel dicht, maar niet helemaal. De kleur lijkt in ons oog een tikkeltje blauwer dan de kleur van 610 nm. Om het oog precies hetzelfde te laten zien als bij 610 nm zou ik er blauw licht vanaf moeten trekken, maar negatief licht bestaat niet. Dus 610 nm kan niet op bijvoorbeeld een computerscherm als additief mengsel van de daar gebruikte primaire kleuren gerealiseerd worden. Dit is het directe gevolg van hoe onze ogen en hersenen werken. Zie bijvoorbeeld deze uitstekende inleiding over Colorimetrie volgens CIE. Op basis van de primaire kleuren R, G en B kunnen we alle kleuren creëren die binnen de RGB-driehoek liggen: een driehoek met de r en g op de x- en y-as. r=R/(R+G+B) en g=G(R+G+B) en b=1-r-b. Binnen de driehoek liggen alle waarden met positieve waarden voor r , g en b: r en g zijn nergens kleiner dan 0 of groter dan 1. Kleuren buiten de driehoek kunnen niet met de primaire kleuren R, G en B gerealiseerd worden. In onderstaande figuur zijn de drie basiskleuren R (r=1;g=0), G (r=0;g=1) en B(r=0;g=0). Weergegeven. Alle kleuren binnen de door deze basiskleuren gevormde driehoek kunnen op door menging van de basiskleuren worden weergegeven, bijvoorbeeld op een computerscherm. Op de zwarte lijn bevinden zich de spectrale kleuren. Tussen blauw en groen bevinden die kleuren zich buiten de driehoek en kunnen dus niet op basis van R, G en B weergegeven worden. Alle kleuren binnen de curve zijn echte kleuren. Alleen die ter linkerzijde van de g-as (negatieve r) kunnen niet op basis van R, G en B worden weergegeven.

Alleen door de driehoek groter te maken op basis van andere basiskleuren kan het hele zichtbare spectrum weer in de driehoek weergegeven worden. Dit is wat het in 1931 ontwikkelde CIE-systeem doet. Dit systeem transformeert het systeem naar coördinaten X en Y, die nergens negatief of groter dan 1 zijn. Het werkt met nieuwe imaginaire basis-‘kleuren’ X, Y en Z, die allemaal buiten de echte kleurenruimte liggen. Hieronder een plaatje van dit systeem met de daarin zowel de punten X, Y en Z en de oude punten R, G en B.

Er zijn verschillende kleurruimtes in omloop. Naast de oude RGB-ruimte van 1931 zijn dat vooral Adobe RGB en sRGB. Ze dekken allemaal een groot deel van de waarneembare kleuren af, maar niet allemaal, zie onderstaand figuur, waar de golflengtes op de curve zijn aangegeven. Je kan aan deze figuur zien, dat geen enkele spectrale kleur exact kan worden weergegeven in deze ruimtes, alleen goed benaderd.

Het artistieke kleurenwiel

Kleurcontrast

Het menselijk oog is niet even gevoelig voor alle kleuren maar het gevoeligst voor de kleur tussen geel en groen. Dat betekent dat wij kleuren die natuurkundig gezien even licht zijn (even veel fotonen per seconde) toch als lichter en donkerder waarnemen. De ‘lichtste’ kleuren zijn geel en oranje. De ‘donkerste’ kleur is paars. Gemiddeld zijn rood en groen en blauw is vrij ‘donker’. Dat is de basis voor contrasten voor kleuren tegenover elkaar in het artistieke kleurenwiel zoals geel/paars en oranje/blauw, zie hieronder.

In zwart-witfotografie missen we de kleurcontrasten. Als we die willen laten zien, dan moeten we de kleuren in verschillende grijstinten omzetten. Vroeger deden we dat met filters, nu met fotosoftware als Lightroom. Hier meer over zwart-witfotografie.

Complementaire kleuren en het artistieke kleurenwiel

Kleuren tegenover elkaar in het kleurenwiel geven een maximaal kleurencontrast: complementaire kleuren zoals groen en rood of blauw en geel, maar er zijn meer manieren waarop je artistiek met verwante of juist complementaire kleuren wilt omgaan in een schilderij of foto: (a) complementaire kleuren; (b) monochromatisch (alleen dezelfde kleur in verschillende mate van verzadiging of luminantie), (c) verwante (of analoge) kleuren (kleuren dichtbij elkaar in het kleurenwiel), of het gebruik van drie of vier uitgekozen kleuren.

Voor het artistieke kleurenwiel wordt in de regel het RYB (rood-geel-blauw) model in plaats van het moderne RGB-systeem gebruikt. Tussen de hoofdpunten, de primaire kleuren R, Y en B, liggen dan de complementaire kleuren groen, paars en oranje. Dat kleurenwiel klopt beter met hoe licht en donker wij de kleuren waarnemen. Geel, de ‘lichtste’ kleur staat in dit wiel tegenover de ‘donkerste’ kleur paars. Met een mengsel van de drie basiskleuren zijn alle kleuren te maken. De kleurencirkel tussen rood en geel is daardoor flink uitgerekt. Kleuren in het (R,Y,B)-systeem zijn relatief eenvoudig in het (R,G,B) om te rekenen. Het is mij na wat gepuzzel gelukt een omrekening voor verzadigde kleuren met 50% lichtheid te maken. Ik heb dit hier eens opgeschreven.

Berekening van complementaire kleuren volgens dit model is te vinden op deze website. Je ziet daar dat de complementaire kleur van geel RGB (255, 255, 0) een mooie paarse aubergine-kleur oplevert RGB (128, 0, 128). Interessant is dat in deze website niet alleen een tegenover gelegen tint wordt gekozen maar ook een donkerdere kleur (lagere lichtheid en verzadiging). Tegenover mooi verzadigd oranje ligt donker blauw. In deze website is de complementaire kleur van de complementaire kleur niet de oorspronkelijke kleur!

meer over het verschil tussen de twee kleurenwielen hier.

Kleurtemperatuur

We moeten hier onderscheid maken tussen de kleur van het licht en de kleur van het voorwerp dat door dit licht beschenen wordt. Een blauw voorwerp beschenen door wit licht is blauw. Het voorwerp reflecteert alleen het blauwe licht. Verlicht ik een wit voorwerp met blauw licht, dan zie ik hetzelfde. Verlicht ik het witte voorwerp met wit licht, dan wordt al het licht gereflecteerd en zie ik natuurlijk een wit voorwerp.

De ‘kleur’ wit is een mengsel van een hoge intensiteit van de drie primaire kleuren: RGB(255,255,255). Bij de ‘kleur’ zwart is er geen enkele kleur meer zichtbaar: RGB(0,0,0). Nu is het daglicht niet altijd echt ‘wit’. Soms bevat het meer rood en soms bevat het meer blauw. De mens neemt echter een wit vlak bij wisselend daglicht of kunstlicht nog steeds als wit waar en niet als rood of blauw. Pas als je een foto maakt valt het kleurverschil op. In de avondzon of bij warm kunstlicht genomen foto’s lijken dan veel roder dan de door de menselijke hersens geconstrueerde werkelijkheid. Meestal moet je dan corrigeren door het doseren van meer of minder blauw (minder of meer geel). De kleurtemperatuur geeft aan hoe rood of hoe blauw het witte licht is. De aarde (in graden Kelvin) is gebaseerd op het spectrum van een zwart verhit lichaam bij verschillende temperaturen. Bij lage temperatuur is het zwart. Bij iets hogere temperatuur gaat het rood gloeien en dan wordt het witheet en tenslotte blauw. Rood licht noemen wij ‘warm’ licht en heeft een lage kleurtemperatuur, terwijl ‘koud’ licht een juist hoge kleurtemperatuur heeft. De kleur van zo’n gloeiend voorwerp wordt nooit groen. Voor details, zie hier.

In Lightroom kan de kleurtemperatuur ingesteld worden met een schuif van blauw (lage temperatuur 2000 K) naar geel (hoge temperatuur (50000 K). De daar aangegeven kleuren geven de kleur aan die moet worden toegevoegd om de het wit weer wit te maken. Bij een lage temperatuur is de foto te rood/geel en moet er blauw worden toegevoegd. Bij een hoge temperatuur moet iets blauw worden weggenomen (geel toegevoegd).

De door de camera en/of LightRoom voorgestelde kleurtemperatuurcorrectie is meestal in de buurt van wat we willen. Maar en zijn situaties waarin dit niet werkt, vooral bij foto’s waar we zowel veel rood licht hebben en daarnaast veel blauwe kleuren van delen van de lucht en schaduwen. Automatische correctie maakt de foto vaak te blauw, maar verschuiving naar een hogere kleurtemperatuur corrigeert te veel naar de rode kant. Er zijn geen eenvoudige oplossingen. Hier meer details.

Kleurtint in Lightroom

Correcties van kleur op een foto die met natuurlijk licht genomen is kunnen voor een groot deel worden doorgevoerd door instelling van de kleurtemperatuur. Het verschil tussen een zonsondergang (lage kleurtemperatuur) en een straalblauwe tropische lucht (hoge kleurtemperatuur) houdt zich netjes aan de theorie van het gloeiende zwarte lichaam. Ook gloeilampen vallen binnen de theorie. Maar bepaalde soorten kunstlicht (neon, natriumlampen, bepaald LED-licht, etc.) hebben een samenstelling die niet meer uitsluitend met de blauw-geel-verdeling te definiëren is. Daar zijn veranderingen in de groen-magenta-verhouding nodig. Dat gaat met de kleurtint-schuifknop.

Als de kleurproblemen echter niets met het licht te maken hebben waarmee de foto is gemaakt, maar met de (veroudering, verkleuring van) de film, dan zijn individuele correcties in de verschillende kleurcurves noodzakelijk.

Alle kleuren in één systeem: HSL

Het kleurenwiel geeft de verschillende mengkleuren van rood, groen en blauw weer. Je kunt dit systeem met twee elementen uitbreiden, het Munsell Color System of HSL-systeem. Je krijgt dan de volgende drie dimensies (cursief: in Lightroom):

1. H: de kleurtoon = de positie in het kleurenwiel (Eng.: hue). Deze kan als een waarde tussen 0 of 255 worden weergegeven of als een aantal graden (360 graden staat gelijk aan 255), geteld vanaf rood = 0. Zie hierboven het RGB-kleurenwiel.
2. S: verzadiging (Eng.: chroma/saturation): de hoeveelheid kleur in verhouding tot ongekleurd (grijs of wit). S=255 betekent 100% verzadigd. Alle spectrale kleuren zijn 100% verzadigd.
3. L: lichtheid, (Eng.: color lightness/value), van zwart en heel donkere kleuren tot heel lichte kleuren en wit. In de figuur weergegeven als 0 tot 10 (0 tot 100%). Meestal wordt echter 0 tot 255 gebruikt. Het gemiddelde (niet donker, niet licht: 50% licht) wordt dan als 128 aangegeven. Het wordt soms ten onrechte met luminantie aangegeven (ook in Lightroom). Dat is niet juist: lichtheid is de manier waarop mensen kleuren waarnemen, iets anders dan de fysische grootheid luminantie. Meer details hier.

Het systeem bestaat uit een stapel kleurenwielen. In het midden zijn die zwart, grijs of wit. Naar buiten neemt de hoeveelheid kleur steeds toe. Naar boven worden de kleuren steeds lichter. Naar onderen worden ze steeds donkerder. Het bovenste kleurenwiel is helemaal wit. Pure verzadigde kleuren hebben een luminantie 5 (128 of 50%) en een verzadiging 100% (of 255). Het onderste is puur zwart. De buitenkant van de tussenliggende wielen is kleur. Naar binnen toe worden zij kleurloos (wit, grijs, zwart). De kleuren ‘bruin’ bevinden zich bijvoorbeeld op de positie geel-rood in het kleurenwiel (Hue = 38), maar dan met een lage kleurlichtheid: zie onderstaand voorbeeld.

dit is de kleur bruin: in RGB systeem = 183, 115, 0. in HSL 26, 255, 92

dit is dezelfde kleur, met een lagere verzadiging (76% of 193), dus dichterbij grijs: RGB waarden = 160, 108, 22

Hieronder heb ik voor de kleur rood (hue = 0) de kleur bij verschillende verzadiging en luminantie weergegeven. Bij de verzadiging 0 gaat de kleur van zwart via grijs naar wit. Bij de verzadiging 100% gaat de kleur van zwart via fel rood naar wit. Deze tabel is natuurlijk voor elke kleur te maken. De zuivere kleur staat dan steeds bij lightness=50 en saturation=100. Elke kolom bevat kleuren die allemaal even licht zijn, met bovenaan de zwart-witversie (verzadiging 0) en onder de kleur-versie (verzadiging 100%).

De omrekening van HSL naar RGB is eenvoudig, zie hier.

Spectrale en extra-spectrale kleuren in het HSL-systeem

De meeste spectrale kleuren kunnen door HSL(H,255,128) worden weergegeven: 100% verzadigd, 50% licht. H=255*hoek in kleurenwiel/360 voor de hoeken 0 tot 300 graden. Pas bij de kleinere golflengtes dan blauw neemt de kleurlichtheid sterk af totdat die bij ultraviolet tot 0 afneemt. Kleuren aan de binnenkant van de kleurenwielen – die met een lagere verzadiging – zijn extra-spectraal. Alle kleuren vanaf magenta tot rood zijn, zoals hierboven al uitgelegd, extra-spectraal.

Tinten en kleuren

Alle tinten (Engels: hue) zijn om het kleurenwiel gedrapeerd, vanaf 0 graden rood en dan verder via geel, blauw en violet terug naar rood. De kleuren aan de rand van het kleurenwiel zijn de 100% verzadigde tinten. Deze tinten met een lichtheid van 50% zijn gelijk aan verzadigde kleuren. Zodra wij echter de lichtheid L en de verzadiging S veranderen dan ontstaan er kleuren, die wij anders benoemen, omdat wij ze ook anders zien. Fysisch gezien is bruin een donkere vorm van oranje maar niemand zal een bruine kleur donker oranje noemen (zie ook hier) en de kleur roze is geen lichtrood. De door ons waargenomen en benoemde kleuren variëren in meer dan alleen de tint H. Strikt genomen is het kleurenwiel uitsluitend een tintenwiel van volledig verzadigde kleuren. Zie hier voor details.

Waarom is de lucht blauw en de zonsondergang rood?

Zonder dampkring was er geen blauwe lucht. Op de maan zie je naast de zon geen enkel licht. Afgezien van de zon is de hemel daar pikzwart. Op aarde verspreiden met name de zuurstofmoleculen het licht. Er valt wit licht van de zon in zo’n molecuul, dat met name het blauwe licht in allerlei richtingen verspreidt. Daarom is de onbewolkte lucht blauw. Tijdens de zonsondergang wordt veel blauw licht geabsorbeerd en verspreid, terwijl het rode licht ons wel in een rechte lijn bereikt. Zonsondergangen zijn dus rood. Zie je andere kleuren, dan is er iets bijzonders aan de hand, bijvoorbeeld het groen van het Noorderlicht.

____