Лекция 6 2012

Лекция 6 ВОСПРИЯТИЕ СВЕТА И ЦВЕТА

«Цвет – это то, что вы видите, а не то, что вы могли бы видеть»

Ральф М. Ивенс

«Цвет никогда не бывает одинок, он всегда воспринимается в окружении других цветов»

Иоханнес Иттен

Разделение проблемы цвета на физический, психофизический и психологический аспекты не является искусственным приемом. Излучение видимого света, оценка цвета стандартным наблюдателем в стандартных условиях и восприятие цвета, возникающее индивидуально и в реальных условиях, это три отдельных явления, каждое из которых подчиняется собственным законам и имеет свои специфичные отличия. Их ни в коем случае нельзя смешивать.

Восприятие и различение цветов каждым человеком определяется взаимовлиянием физиологических процессов и культурных традицией, в которых этот человек вырос, зависит от системы названий цветов в его родном языке и индивидуальных особенностей индивидуума. Видеть цвет в конкретных условиях – это сочетание внимания, целенаправленности, памяти и мотивов индивидуума. Обычный наблюдатель скажет, что лист зеленый, даже если свет, достигающий его глаз, синий. Он этого может не заметить. Художник, который смотрит через зеленую листву, скажет, что вид вдаль розоватый: он смотрел на цвет, и его адаптация на листву вызвала розоватый цвет далекого тумана. Все по-своему правы и все имеют право на свое суждение.

Восприятие цветов изменяется с возрастом, зависит от остроты зрения, от национальности человека, даже от цвета его волос и оттого, что он ел (после еды повышается чувствительность глаза к коротковолновой (синей части спектра). Правда, подобные различия относятся в основном к тонким оттенкам цвета, поэтому с некоторым допущением можно сказать, что большинство людей воспринимает основные цвета одинаково (за исключением, разумеется, дальтоников).

Дин Джадд рассчитал, что при достаточно больших вариациях условий наблюдения число воспринимаемых цветов, достигает 10 млн. Но это не все. Различие физических качеств – свойств поверхности или материала может явиться препятствием для признания их идентичности. Образ окружающего нас мира вызван бесконечными вариациями цвета и формы, создаваемыми множеством типов и качеств объектов при разных видах освещения. Кроме того, восприятие цвета зависит и от условий наблюдения: цветовой адаптации, фона, на котором рассматривается данный цвет, настроения человека, цветовых предпочтений и т.д.

Существуют понятия изолированного и неизолированного воспринимаемого цвета (рис. 12).

Рис 12. Изолированный цвет и неизолированные воспринимаемые цвета

Отличие между ними состоит в том, что изолированным считается цвет поверхности или цветного света, наблюдаемый в полностью черном окружении, неизолированным – цвет, видимый на фоне, отличающемся от черного. В первом случае наблюдатель оценивает цвет, полностью основываясь на визуальной информации от глаз (отсутствует контекст), во втором, когда вводится белый фон вокруг сравниваемых цветов, который несет информацию об источнике, он позволяет наблюдателю оценить его яркость и цвет. В этом случае цвета уже не являются изолированными. Они подвергаются воздействию соседних цветов и источника освещения.

Цвет является трехмерной величиной и для характеристики каждого из трех измерений используются субъективные цветовые характеристики (рис. 13):

• светлота (относится к несамосветящимся объектам) – характеристика цвета, в соответствии с которой поверхность воспринимается диффузно отражающей или пропускающей большую или меньшую долю падающего света;

• цветовой тон – характеристика цвета, служащая для установления сходства данного цвета с тем или иным спектральным или пурпурным цветом, определяется наименованием красный, синий, зеленый и т.д.

• насыщенность – характеристика цвета, служащая для оценки отличия данного цвета от равного ему по светлоте ахроматического цвета.

Рис. 13 Иллюстрация изменения одной из трех цветовых характеристик: светлоты, цветового тона и насыщенности.

Ощущение цвета в некоторой степени зависит от всех его характеристик, поэтому все параметры цвета следует анализировать в тесной взаимосвязи. Насыщенность и светлота несамосветящихся предметов взаимосвязаны, так как усиление избирательного спектрального поглощения при увеличении количества (концентрации) красителя всегда сопровождается уменьшением интенсивности отражённого света, что вызывает ощущение уменьшения светлоты. Так, роза более насыщенного пурпурного цвета воспринимается более тёмной, чем роза с таким же, но менее выраженным цветовым тоном.

Следует детально остановиться на законах восприятия света и цвета, так они играют огромное значение в цветовом проектировании.

Законы восприятия света и цвета (закон Вебера-Фехнера, адаптация, константность, контраст) обусловлены тем, что все анализаторы человека (в том числе и глаза), при помощи которых энергия адекватного раздражителя трансформируется в процесс нервного возбуждения и, в конечном счете, приводит к формированию ощущения, обладают рядом психофизиологических или психофизических свойств. Эти свойства подробно рассмотрены:

1. Чрезвычайно высокая чувствительность к адекватным раздражителям. Количественной мерой чувствительности является пороговая интенсивность, то есть наименьшая интенсивность раздражителя, воздействие которого дает ощущение. Чем ниже пороговая интенсивность, или, просто порог, тем выше чувствительность.

2. Дифференциальная или контрастная чувствительность. Все анализаторы обладают способностью устанавливать различие по интенсивности между раздражителями. Главное – наличие количественного взаимоотношения между интенсивностью ощущения и интенсивностью раздражителя. В ряде экспериментов (1830–1834 гг.) Э. Вебер показал, что воспринимается не абсолютный, а относительный прирост силы раздражителя (света, звука, груза, давящего на кожу, и т.п.), то есть, D  I/ I = const. Видимый порог составляет постоянную часть раздражителя. Если увеличивается интенсивность раздражителя – растет порог. На основе этих наблюдений Г. Фехнер в 1860 году сформулировал «основной психофизический закон», по которому интенсивность наших ощущений L пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя I: L = k log I/I₀, где I₀ – граничное значение интенсивности раздражителя. Закон Вебера-Фехнера при описании восприятия яркости света соблюдается в небольшом интервале яркостей и определяет соотношение между светлотой и яркостью в наиболее благоприятных условиях наблюдения. Если, например, уменьшить резкость границы между сравниваемыми участками, порог возрастет. Известно, что в сумерках, когда освещенности низки, яркости предметов различаются хуже, чем при средних освещенностях, и порог, следовательно, тоже возрастает. В условиях слишком больших яркостей объекты оказывают на глаз слепящее действие, и порог опять увеличивается. Для яркостей, которые находятся на краях диапазона воспринимаемых яркостей, порог значительно больше. Контрастная чувствительность глаза имеет максимум при яркости адаптации.

3. Приспособление уровня чувствительности анализаторов к интенсивности раздражителя (адаптация).

4. Анализаторам присуща тренируемостъ. Это свойство заключается как в повышении чувствительности, так и в ускорении адаптационных процессов под влиянием самой сенсорной деятельности. Всегда можно найти достаточно много примеров, когда ощущения человека "обостряются" за счет значительного повышения чувствительности, обеспечивая тем самым более совершенное реагирование на раздражители внешней и внутренней среды.

5. Способность анализаторов некоторое время сохранять ощущение после прекращения действия раздражителя. Такая "инерция" ощущений обозначается как последействие, или последовательные образы.

6. Постоянное взаимодействие анализаторов в условиях нормального функционирования. При эффекте синестезии (от греческого "совместное ощущение") раздражение одного органа чувств приводит к возникновению ощущений, соответствующих другому органу чувств, то есть сигналы от разных органов чувств как бы смешиваются, синтезируются. Типичный пример cинестезии – «цветной слух», равно как и звуковые переживания при восприятии цвета, и т. п. Это особое восприятие мира – зрительные образы имеют свой аромат, цвет – звук, а каждый звук – свой цвет и вкус.

Константность цвета. В процессе эволюции у человека развивалась способность к восприятию цвета с целью идентификации предметов. Вместе со способностями к восприятию других их свойств она помогает обнаруживать и опознавать отдельные предметы по их окраске при всевозможных изменениях освещения. Эта необходимость распознавания объектов явилась главной причиной того, что при привычных условиях наблюдения за счёт бессознательно вносимой наблюдателем поправки на освещение цвета не очень зависят от освещения. Например, зелёная листва деревьев признаётся зелёной даже при красноватом освещении на закате солнца.

Если привычные условия наблюдения изменить и сделать их необычными, цветовые ощущения человека неуверенными или ошибочными. Особую способность нашего зрения оценивать, несмотря на различное освещение, цвет предмета, основываясь на знании его цвета в условиях дневного освещения, называют константностью цвета. Это свойство зрения, которое позволяет видеть мир стабильного цвета и светлоты, а не постоянно изменяющееся излучение.

Оценка светлоты также не зависит от абсолютных уровней энергии, а основана на сравнении коэффициентов отражения. Явление носит название константности восприятия светлоты. Именно благодаря ему мы при разных уровнях освещенности в состоянии отличить черное от белого.

Верная оценка цвета предмета (цветовая константность) достигается главным образом самопроизвольным изменением чувствительности сетчатки и сужением или расширением зрачка. Кроме того, в нашей окончательной оценке видимого цвета участвуют очень сложные факторы, связанные с деятельностью головного мозга. Например, изображение предметов на сетчатках глаз двумерны, а между тем человек видит мир трехмерным. Константность наиболее сильно проявляется при рассматривании несамосветящихся предметов и обусловлена тем, что в повседневной жизни мы одновременно рассматриваем совокупности предметов, подсознательно сравнивая их цвет или цвет разноосвещённых участков этих предметов. Поэтому приближенная константность цвета видимых предметов, несмотря на значительные качественные и количественные изменения в освещении поля зрения,— одно из самых замечательных и важных факторов физиологической оптики. Без этой способности зрения кусок мела нам казался бы в пасмурный день такого же цвета, как кусок угля при ярком солнечном свете, а в течение дня он принимал бы все возможные цвета, лежащие между белым и черным.

Легко понять, насколько велико практическое значение константности величины, формы и цвета. Если бы наше восприятие не обладало константностью, то при малейшем повороте головы или изменении освещения, то есть практически беспрерывно, в нашем восприятии изменялись бы свойства, по которым мы узнаем предметы. Не существовало бы восприятия предмета, а наблюдалось лишь непрерывное мерцание находящихся в постоянном движении и изменяющих свою форму пятен и световых бликов.

Если же насыщенность цвета освещения превышает определенные границы, то корригирующий аппарат зрения перестает действовать и явления адаптации не наблюдается. Например, зеленый при нормальном освещении лист при рассмотрении через красный фильтр или при насыщенном красном свете кажется черным. При незнакомом окружении для неизвестного заранее цвета достаточно даже света незначительной насыщенности, чтобы создать иллюзию цвета, отличающегося от цвета предмета при нормальном освещении.

Константность хорошо сохраняется, если в излучении присутствуют длины волн широкого диапазона, даже в том случае, если спектр прерывист, то есть, состоит из отдельных полос. Когда же излучение монохроматично (например, как в используемых для освещения улиц натриевых ламп низкого давления), происходит нарушение константности цвета. Константность цвета и константность восприятия светлоты обычно нарушается, когда изолированные объекты наблюдаются на черном фоне, потому что не с чем сравнить длину волны света, отраженного от предмета. Если зрительное поле уменьшается до очень малого углового размера, то константность также нарушается. То есть, чем меньше сравнений коэффициентов отражения и длин волн происходит в поле зрения, тем для зрительной системы меньше возможности сохранить константность. При обычных условиях жизни изменения в освещенности и условиях наблюдения не приводят к существенным изменениям восприятия цвета предмета.

Вывод: для того, чтобы константность сохранялась, необходимо наличие в поле зрения многих объектов с различными спектральными коэффициентами отражения и по возможности источник излучения с непрерывным спектром.

Наша зрительная система успешно учитывает изменения спектрального состава освещения и в то же время сохраняет постоянными воспринимаемые цвета предметов в зрительной сцене.

Зрение обладает еще одним очень важным биологическим свойством - адаптацией к различным режимам работы.

Адаптация глаза – это приспособление его к условиям освещения и со-ответствующее изменение чувствительности глаза. Благодаря этому зрительная система человека работает в широком диапазоне яркостей: 10^-6 – 10⁶ кд/м². Диапазон воспринимаемых яркостей начинается от минимально воспринимаемого светового потока, вызывающего световое ощущение, до максимально слепящей яркости 10⁶ кд/м² (болевой порог).

При изменении уровня яркости поля зрения автоматически включается целый ряд механизмов, что и обеспечивает адаптационную перестройку зрения. Адаптация обеспечивается тремя явлениями:

• изменением диаметра отверстия зрачка;

• перемещением темнового пигмента в слоях сетчатки;

• различной реакцией палочек и колбочек.

Адаптацию следует рассматривать как развитие процесса перехода от одного уровня яркости к другому во времени. Способность нашего глаза к адаптации дает возможность хорошо различать предметы, несмотря на различные условия освещения.

Различают три типа адаптации: темновую, световую и цветовую.

Темновая адаптация – происходит при переходе от больших яркостей к малым. После яркого солнечного света в темном помещении сначала ничего не видно, но постепенно, спустя несколько минут, начинают различать предметы. Если в глаз первоначально попал яркий свет, то палочки были ослеплены, родопсин выцвел, черный пигмент проник в сетчатку, заслоняя колбочки от света. Если внезапно яркость света значительно уменьшится, то вначале расширится зрачок. Затем из сетчатки начнет уходить черный пигмент, родопсин будет восстанавливаться, и когда его наберется достаточно, начнут функционировать палочки. Так как колбочки не чувствительны к слабым яркостям, то глаз не будет ничего различать, пока не начнет действовать новый механизм зрения. В помещении не становится светлее, однако чувствительность сетчатой оболочки к свету повысилась. Глаз адаптировался к слабому освещению. По некоторым данным чувствительность глаза достигает максимального значения примерно через час пребывания в темноте. По другим, обнаружили значительное повышение чувствительности сетчатки к свету по истечении четырех часов адаптации по сравнению с той, что была после часа адаптации. .

Световая адаптация – это процесс приспособления глаза при переходе от малых яркостей к большим. Если из темного помещения выйти на дневной свет, то в первый момент свет ослепляет глаза. Глаза щурятся и человек смотрит через узкую щелочку. Лишь спустя несколько минут глаз привыкает к дневному свету. С одной стороны, это достигается благодаря зрачку, который при сильном свете сужается, а при слабом освещении – расширяется. Но главным образом это обеспечивается изменением чувствительности сетчатой оболочки, которая при сильном световом раздражении понижается, а при слабом возрастает. Вначале чрезвычайно сильно происходит раздражение палочек благодаря быстрому разложению родопсина, они "ослеплены"; и даже колбочки, не защищенные еще зернами черного пигмента, раздражены слишком сильно. Только по истечении достаточного времени приспособление глаза к новым условиям заканчивается, прекращается чувство ослепления и глаз приходит в нормальное состояние. Световая адаптация продолжается 8-10 минут.

При темновой или световой адаптации глаз никогда не достигает полной способности зрительного восприятия. Поэтому на рабочем месте, особенно при работе с цветом, следует избегать резких световых контрастов и тем самым исключать необходимость переадаптации глаза, поскольку она снижает остроту зрения.

Глаз всегда фиксирует наиболее светлые пятна. Если в поле зрения человека находится сильный источник света или ослепительно яркая плоскость, то они оказывают наиболее сильное действие на чувствительность сетчатой оболочки глаза. Поэтому, когда мы смотрим на светлое окно, окружающая его поверхность стены кажется нам темной и расплывчатой. Если же исключить действие падающего из окна света на глаз, то та же поверхность видится нами более светлой и четкой.

Цветовая адаптация. У разных людей имеется неодинаковая чувствительность глаз к каждому из трех цветов. При длительном действии какого-либо цвета на глаз чувствительность сетчатки к этому цвету снижается, и он как бы тускнеет. Цветовая адаптация – явление более слабое, чем световая адаптация, и протекает в более короткий промежуток времени. Наибольшее время адаптации наблюдается для красного и фиолетового цветов, наименьшее – для желтого и зеленого. Если человеку, например, длительное время приходится работать с красными тканями, то он через некоторое время теряет способность различать тонкие нюансы оттенков этого цвета. Опытным продавцам этот факт известен, и они кладут рядом с красными тканями зеленые или синие, для того чтобы восстанавливать правильное ощущение цветности.

При частом переходе взора от очень светлого к темному цвету и обратно возникает вынужденная постоянная адаптация глаза. Это утомляет зрение и, как следствие, может вызвать головные боли, нервозность, снижение внимания.

Цветовая память. Мы фиксируем в нашей памяти цветовые характеристики, присущие предметам и неоднократно наблюдавшиеся нами в связи с данными предметами. Так, многие предметы мы узнаем по их цвету. Если осветить такой предмет цветным светом малой насыщенности или если надеть цветные очки, то мы оказываемся в состоянии установить цвет данных предметов по памяти, несмотря на изменение цвета из-за освещения. Мы до известной степени обладаем способностью абстрагироваться от цветного освещения и достаточно правильно определить цвет предметов.

Цветовые явления, связанные с пространственными соотношениями.

Визуальное восприятие объекта возможно только при наличии контраста (различий) между объектом и фоном. Существуют различные виды контрастов и разные его определения. «Контраст оптический» – «различимость предмета наблюдения от окружающего его фона». Благодаря контрасту усиливается различие между соседними или следующими друг за другом ощущениями. Степень контрастных изменений для различных цветовых сочетаний различна и зависит от ряда условий: от цветового тона объекта и фона, от соотношения светлоты и насыщенности, от соотношения площадей объекта и фона и т.п. В практической работе следует знать и учитывать влияние цвета на восприятие цветного объекта на цветном фоне.

Контраст – восприятие качественного или количественного различия двух частей поля зрения, видимых одновременно или последовательно [40]. При восприятии цветного изображения существенную роль играет цветовой контраст – различие в восприятии одного цвета перед другим. Цветовой контраст зависит от условий наблюдения, изменения которых могут вызвать усиление или ослабление восприятия данного цвета. Речь идет о двух основных видах контраста – одновременном и последовательном. В литературе можно встретить термин «симультанный» контраст. Это неудачная калька термина «simultaneous» (одновременный), введенного М.-Э. Шёврелем.

Явление одновременного контраста: пространственные отношения между объектами, находящимися в поле зрения, могут влиять на восприятие их цвета и его составляющих: цветового тона, насыщенности и светлоты. Одновременный цветовой контраст проявляется в том, что восприятие данного цвета может изменяться (по яркости, цветовому тону и насыщенности) при изменении соседствующего с ним цвета (фона). На рис. 14 представлены примеры одновременного контраста, первый – контраст по светлоте, второй – по цветовому тону, третий – по насыщенности.

Рис. 14 Одновременный контраст по светлоте, цветовому тону и насыщенности

В каком же направлении изменяются цвета под влиянием этого вида контраста? В области ахроматических цветов вопрос решается просто. Цвета изменяются в сторону наибольшего удаления друг от друга: на темном фоне поле кажется светлее, на светлом фоне – темнее. Применительно же к собственно цветовому контрасту точный ответ оказывается более трудным. Общее правило – цвет поля сдвигается в сторону цвета, наиболее отличного от цвета фона. Если принять, что такими взаимно наиболее отличными цветами являются цвета дополнительные, то можно сказать что под влиянием цветового контраста цвета изменяются в сторону цвета, дополнительного к цвету фона. Связано это с тем, что участок сетчатки под непрерывным воздействием какого-либо цвета в силу утомления теряет чувствительность к последнему и одновременно становится особо чувствительным к дополнительным цветам. Из-за вызываемого ими быстрого цветового утомления сетчатки насыщенные цвета воспринимаются та­кими весьма кратковременно, затем быстро теря­ют насыщенность и как бы ахроматизируются.

Когда предметы или цветные области наблюдаются рядом друг с другом, они воспринимаются более различающимися по цвету, чем когда они рассматриваются изолированно друг от друга. В этом случае контраст по цвету приводит к увеличению воспринимаемого цветового различия на границе объектов. Цветовой контраст наиболее ярко проявляется на границе раздела двух цветных полей. Это явление называется краевым контрастом (рис. 15).

Рис. 15 Краевой контраст

Это свойство зрения используют в стандартах на визуальное сравнение цвета, где вводится требование помещать сравниваемые цвета рядом или накладывать друг на друга. Когда различия в цветности между соседними стимулами достаточно велики, изменения в цвете также становятся большими. Посредством этого зрительная система действует так, чтобы усилить нашу способность обнаружить различие между ними.

На ярко-красном фоне небольшое пятно серого цвета будет выглядеть слегка зеленоватым, на зеленом – розовым, на синем – желтоватым, на желтом – синеватым. Явление одновременного контраста проявляется тем сильнее, чем выше насыщенность цвета фона и чем ближе светлота этого фона к светлоте объекта.

Цвет фона и цвет образца в зависимости от соотношения их площадей взаимодействуют по-разному: для объекта желтого цвета контрастное влияние площади фона сохраняется при соотношении размер объекта/размер фона 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 для красного – значительно при первых трех соотношениях и незначительно при других, для синего и зеленого контрастное действие отмечалось только в первых трех случаях.

Имеется одно исключение. Когда хроматический объект малого углового размера (< 1°) рассматривается на большой равномерно окрашенной площади другой цветности, оба, и объект и окружение, воспринимаются более схожими. Например, тонкие белые нити, вплетенные в ткань, в общем, приводят к тому, что вся площадь ткани воспринимается светлее по цвету. С другой стороны, вплетение в ткань черных нитей вызывает общее впечатление затемнения. Это явление известно как эффект размывания, или ассимиляции (рис. 16). Соответственно, использование цветных включений меняет общий цветовой тон. Этот эффект часто используют при проектировании сложных рисунков для ткани, ковров или полихромных кирпичных фасадов зданий.

а) б)

Рис. 16 Эффект ассимиляции

Явления одновременного контраста могут вызывать зрительные иллюзии, подобные тем, что приведены на рис. 17.

На рис. 17а обводка иероглифов в верхней части рисунка тонкой белой линией приводит к тому, что цвет фона становится более светлым и менее насыщенным, в то время как обводка черной линией в нижней части приводит к повышению воспринимаемой насыщенности цвета и фона и фигур. На рис. 17б голубые спирали получены только за счет контраста – воспринимаемые голубыми полоски на самом деле светло-зеленого цвета.

а) б)

Рис. 17 Примеры зрительных иллюзий, связанных с контрастом

Последовательный контраст. Последовательный контраст проявляется при достаточно долгом предъявлении цветов высокой интенсивности и высокой насыщенности и переводе глаза с одного цвета на другой. При этом цвет последнего будет отличаться от истинного. При переводе на белое поле последнее будет восприниматься окрашенным в дополнительный цвет. Это явление известно под названием последовательного образа.