Человеческое зрение

Спектральная чувствительность человеческого зрения.

В рамках данной лекции мы не будем разбирать в подробностях устройство человеческого зрения, ограничимся ссылкой на энциклопедию. Для понимания материала важно усвоить несколько основных положений, относящихся к восприятию цвета человеческим глазом. Другие любопытные особенности зрения понадобится изучить к концу курса, когда речь пойдет о восприятии информации человеком.

Цветовое зрение

У приматов (и человека) мутация вызвала появление колбочек — цветовых рецепторов. Мутация была вызвана появлением изменённой копии гена, отвечающего за восприятие средней, зелёночувствительной области спектра. Она обеспечила лучшее распознавание объектов «дневного мира» — плодов, цветов, листьев. В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимум чувствительности которых приходится на красный, зелёный и синий участки спектра, то есть соответствует трём «основным» цветам. Они обеспечивают распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что вызывает эффект метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета. Трёхсоставную теорию цветового зрения впервые высказал в 1756 году М. В. Ломоносов, когда он писал «о трёх материях дна ока». Сто лет спустя её развил немецкий учёный Г. Гельмгольц.

Чувствительность палочек (пунктирная линия) и трёх типов колбочек к излучению с разной длиной волны

Теория цветоощущения Гельмгольца (теория цветоощущения Юнга-Гельмгольца, трёхкомпонентная теория цветоощущения) — теория цветоощущения, предполагающая существование в глазу особых элементов для восприятия красного, зелёного и фиолетового цветов. Восприятие других цветов обусловлено взаимодействием этих элементов. Сформулирована Томасом Юнгом и Германом Гельмгольцем.

Теория Юнга—Гельмгольца объясняет восприятие цвета только на уровне колбочек сетчатки, и не может объяснить все феномены цветоощущения, такие как цветовой контраст, цветовая память, цветовые последовательные образы, константность цвета и др., а также некоторые нарушения цветового зрения.

Оппонентная теория цвета Эвальда Геринга (Хьюбл и Вайзел)

Спектральная чувствительность рецепторов глаза: иллюстрация метаметрии. (взято с сайта rudtp.ru)

Цветоразностное восприятие цвета

Параллельно существовала оппонентная теория цвета Эвальда Геринга. Её развили Давид Хьюбл (David H.Hubel) и Торстен Вайзел (Torsten N.Wiesel). Они предположили, что в мозг поступает информация вовсе не о красном (R), зелёном (G) и синем (B) цветах (теория цвета Юнга-Гельмгольца). Мозг получает информацию о разнице яркости — о разнице яркости белого (Yмах) и черного (Yмин), о разнице зелёного и красного цветов (G-R), о разнице и синего и жёлтого цветов (B-yellow), а жёлтый цвет (yellow=R+G) есть сумма красного и зелёного цветов, где R, G и B — яркости цветовых составляющих — красного, R, зелёного, G, и синего, B.

Имеем систему уравнений — Кч-б=Yмах-Yмин; Кgr=G-R; Кbrg=B-R-G, где Кч-б, Кgr, Кbrg — функции коэффициентов баланса белого для любого освещения. Практически это выражается в том, что люди воспринимают цвет предметов одинаково при разных источниках освещения (цветовая адаптация).

Несмотря на кажущуюся противоречивость двух теорий, по современным представлениям, верны обе. На уровне сетчатки действует трёхстимульная теория, однако, информация обрабатывается, и в мозг поступают данные уже согласующиеся с оппонентной теорией.

Проявление метамерии: разный спектральный состав света вызывает одинаковые цветовые ощущения.

Спектр, цвет, видимый свет

Разложение света по цветам при помощи призмы

Спектр (лат. spectrum от лат. spectare — смотреть) — множество значений физической величины, распределенных по некоторому энергетическому параметру, а также графическое представление такого распределения.

Видимое излучение — это электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра ~ от 380 (Фиолетовый) до 780 нм (Красный).

Интервал видимого излучения является малой частью интервала электромагнитного излучения вообще. За пределами этой ограниченной области электромагнитное излучение не вызывает у человека зрительных ощущений или, другими словами, является для него невидимым.

Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами.

Дополнительно можно ознакомиться со статьей Алексея Шадрина, Андрея Френкеля "Color Management System (CMS) в логике цветовых координатных систем", где подробно и наглядно разобраны вопросы цветообразования.

Имя цвета — термин, отражающий психологическую компоненту в восприятии света и цвета.

Имя цвета — психологическая его характеристика, имеющая выраженную этническую компоненту. Так, имя цвета зеленый достаточно однозначно определяет диапазон длин волн отраженного излучения (или же источника света), хотя и может быть синтезирован при помощи других цветов, в то время как имя цвета коричневый неоднозначно — этот ощущаемый человеком цвет, как и большинство других, может быть синтезирован с помощью разных спектральных наборов (метамерия).

В разных языках имя цвета для одного и того же физического объекта могут отличаться, или даже отсутствовать. Этим объясняется тот факт, что у разных народов в радуге различается разное количество цветов. Люди, имеющие прямое отношение к работе с цветом, часто оперируют заведомо большим количеством имен цветов, чем может однозначно понять "простой смертный". Так же, в среде художников применяются термины, плохо совместимые с компьютерным представлением и бытующими среди программистов понятиями. Так, пожелание дизайнера "сделать этот зеленый потеплее" может быть не понято веб-мастером, не владеющим знаниями, которые предлагаются в следующих частях данной лекции.

В то же время цвет в колориметрии определятеся однозначно, как вектор в заданной системе координат. Системы координат могут быть разными, например, RGB, CMYK, XYZ.