Лабораторная работа №2

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Биотехнических систем

отчет

по лабораторной работе

по дисциплине «Биофизика».

Тема: Исследование характеристик зрительного восприятия. Последовательный и одновременный цветовые контрасты.

Студентки гр. 1502 _____________________

_____________________

_____________________

Преподаватель _____________________ Шевченко Ю. А.

Санкт-Петербург

2023 г.

Цель работы. Изучение феномена последовательного цветового контраста (возникновения последовательных образов) – изменения процесса цветоощущения после предварительной адаптации к излучению определенного спектрального состава.

Основные теоретические сведения.

Краткие сведения о строении и функционировании зрительной системы человека.

При восприятии изображения зрительной системой человека излучение собирается хрусталиком глаза и через стекловидное тело проецируется на сетчатку (рис. 1). Там оно возбуждает чувствительные элементы – определенные нервные клетки (рецепторы), физиологическое назначение которых состоит в распознавании световых волн. В процессе функционирования этих рецепторов происходит поглощение ими излучения, и по достижении определенного порога вырабатывается импульс, который по зрительному нерву поступает в зрительный центр мозга, где с помощью пока еще до конца не понятых механизмов и происходит зрительное восприятие изображения.

Рис.1 - Горизонтальный разрез правого глаза человека.

За цветовое и яркостное восприятие излучения человеческим глазом отвечают два различных типа рецепторов - колбочки и палочки.

Палочки способны регистрировать только суммарную энергию света. Они являются миниатюрными аналогами фотоумножителей, вырабатывающих электрический сигнал при падении на них отдельного фотона, и обладают очень высокой чувствительностью. В палочках содержится пигмент родопсин, максимум спектра поглощения которого находится в области 500 нм.

Рис.2 - Спектры поглощения зрительных пигментов колбочек.

Колбочки, предназначенные для распознавания цветовой информации, объединены в триады, каждый из рецепторов в которых реагирует только на один из трех основных цветов: красный, зеленый или синий. Размер триады колбочек определяет цветовую разрешающую способность глаза. В зависимости от степени раздражения каждой из колбочек триады создается ощущение цвета точки. В наружных сегментах трёх типов колбочек содержатся три типа зрительных пигментов, максимумы спектров поглощения которых находятся в синей, зеленой и красной областях спектра (рис. 2). Красный колбочковый пигмент получил название йодопсин. Как видно из рис. 2, колбочки каждого вида поглощают в известной мере все лучи спектра. Красночувствительная колбочка может реагировать на слабый красный свет так же, как на яркие лучи, исходящие из зеленой области спектра.

Периферийные области сетчатки глаза заполнены колбочками и палочками. Кроме того, на сетчатке выделяют две области: желтое пятно и слепое пятно. На слепом пятне нервные пути сетчатки переходят в зрительный нерв. Поскольку в этой области нервных клеток нет, то излучение, попадающее на слепое пятно, не обнаруживается. Желтое пятно расположено по центру зрительной оси и имеет угловые размеры 1–2°. Оно заполнено плотно упакованными колбочками.

Особенности восприятия цвета зрительной системой человека. Инерция зрительного ощущения.

Когда мы имеем дело с повседневными событиями, можно принять, что свет распространяется мгновенно. Зрительные процессы, однако, не мгновенны, и прежде чем наблюдатель осознает, что в глаз его попала вспышка света, пройдет около 0,1 с. И наоборот, после того как действие светового раздражителя прекратится, восприятие света в течение короткого времени сохраняется неизменным. Это называют инерцией зрительного ощущения.

Эту инерцию легко продемонстрировать, если смотреть на лампу через вращающийся диск с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами. Диск может приводиться в движение электромотором с регулируемой скоростью. Если видимые через диск вспышки света имеют достаточно низкую частоту, скажем около 10 Гц, то будет восприниматься мелькающий свет. Если теперь понемногу увеличивать скорость вращения, то при определенной частоте ощущение мелькания исчезнет. Это произойдет тогда, когда вспышки будут следовать друг за другом достаточно часто для того, чтобы благодаря инерции зрительного аппарата ощущение света сохранялось в течение всего темного промежутка.

Такую частоту называют критической частотой слияния мельканий (ЧСМ). Величина ее линейно изменяется с логарифмом освещенности, к которой адаптирован глаз, и варьирует в пределах от 10 Гц при низкой освещенности до 55 Гц при высокой. Это так называемый закон Ферри-Портера, который обусловлен электрофизиологическими механизмами сетчатки. Яркость кодируется частотой импульсов, генерируемых клетками сетчатки, а эта частота приблизительно пропорциональна логарифму освещенности сетчатки. Очевидно, что если вспышки света поступают в глаз чаще, чем возникают импульсы, то тогда эти импульсы не могут нести в мозг информацию о частоте световых вспышек; в результате происходит слияние мельканий. Однако при повышении уровня освещенности частота потенциалов действия (импульсов), передающихся по зрительному нерву, увеличивается, а поэтому возрастает и частота слияния мельканий.

Последовательные образы и субъективный цвет. Типы последовательных образов.

Инерция зрительного ощущения обусловлена кратковременными эффектами последействия – последовательными образами, которые продолжают существовать лишь долю секунды. Но если глаз адаптирован к темноте, а затем подвергается раздражению одиночной кратковременной вспышкой яркого света, то слабое восприятие света в полной темноте сохраняется гораздо дольше и лишь постепенно затухает в течение 1–2 мин. Это называют длительным положительным последовательным образом. В отличие от образа, сохраняющегося за счет инерции ощущения, этот последовательный образ, хотя он и кажется достаточно ярким, соответствует всего лишь одной миллионной доле яркости первоначального стимула. Положительный последовательный образ имеет вначале тот же цвет, что и вызвавший его раздражитель, но потом он претерпевает ряд изменений.

Однако если первичный яркий раздражитель будет иметь небольшие угловые размеры, а после его выключения сразу появится большое белое адаптационное поле низкой освещенности, то сначала будет виден, как и раньше, яркий положительный последовательный образ. Если теперь освещенность белого поля быстро увеличить, то сначала положительный последовательный образ сольется с окружающим фоном, а затем, когда освещенность фона достигнет большой величины, появится снова в виде темного пятна. Это темное пятно называют отрицательным последовательным образом. Отрицательный последовательный образ цветного первичного стимула имеет приблизительно дополнительный цвет. Цвета, противостоящие в цветовом круге, являются дополнительными: при смешении они образуют белый цвет.

Отрицательные последовательные образы.

Отрицательные последовательные образы дополнительного цвета довольно легко объяснить утомлением небольших участков сетчатки. дифференциальному обесцвечиванию, усиливает восприятие его цвета.

Согласно закону Эммерта кажущаяся величина отрицательного последовательного образа прямо пропорциональна расстоянию до той поверхности, на которой он виден.

Положительные последовательные образы.

Положительные последовательные образы можно легко наблюдать, если сначала адаптироваться к темноте (5–15 мин.), чтобы исчезли все предыдущие образы, а затем смотреть на очень яркий источник света в течение 1 или 2 с. После этого в полной темноте можно увидеть положительный последовательный образ.

Яркость затухающего последовательного образа можно измерять с помощью метода бинокулярного уравнивания, сходного с тем, который был первоначально предложен Райтом из Имперского колледжа. Последовательный образ создают в одном глазу, а другим глазом наблюдают регулируемое световое пятно, которое стремятся уравнять по яркости с последовательным образом. Пятно и образ несколько сдвинуты относительно друг друга по вертикали, поэтому они не сливаются. Благодаря такому приему стимул-измеритель не влияет на последовательный образ.

При этом раздражитель больших размеров дает более яркие и более стойкие последовательные образы.

Происхождение последовательных образов.

По-видимому, последовательные образы формируются в сетчатке, а отрицательные последовательные образы, несомненно, возникают в результате простого утомления сетчатки. Причина возникновения более «глубинного» феномена – положительных последовательных образов – все еще остается неясной. Их временные константы слишком коротки, чтобы можно было связать их с продолжением фотохимической активности и регенерацией. С другой стороны, они слишком продолжительны, чтобы мы могли объяснить их следовой активностью нейронов сетчатки. Возможно, что это результат действия химических посредников (медиаторов) в синапсах сетчатки, но этот вопрос нуждается в дальнейшем изучении.

Одновременный цветовой контраст.

Цвет в природе всегда находится в соседстве или в окружении других цветов. В результате при восприятии цвета взаимно влияют друг на друга, изменяются по цветовому оттенку, светлоте и насыщенности. Это явление называется одновременным (цветовым) контрастом. Одновременный цветовой контраст – явление изменения зрительного восприятия цвета какого-либо участка объекта под влиянием цвета окружающего этот участок фона.

Если цвет находится в окружении хроматических цветов, то к нему как бы примешивается (по закону оптического смешения) цвет, близкий к дополнительному цвету окружения.

Замечено, что если ахроматическое (серое) пятно окружить хроматическим фоном (например, зеленым), то на сером возникнет заметный оттенок красного цвета. В самом деле, проселочная дорога, бегущая по зеленому лугу, всегда воспринимается как сиренево-розоватая. В окружении красного серый цвет покажется несколько позеленевшим, в окружении желтого – синеватым и т. д.

Одновременный цветовой контраст возникает и при рассмотрении ахроматических цветов. Светлые участки выглядят светлыми на темном фоне и темными на более светлом.

Если рассматривать эффективность действия одновременного цветового контраста, учитывая положение цветов в цветовом круге, то можно сделать следующий вывод: цвета, находящиеся на концах диаметра (взаимодополнительные), не вызывают в восприятии изменений по цветовому тону; цвета, расположенные по кругу близко друг к другу (в пределах малых интервалов), слабо контрастируют по цветовому тону. Наиболее заметно выявляют контраст по цветовому тону цвета, располагающиеся в пределах средних интервалов.

Изменение цветового тона вследствие действия одновременного контраста зависит от следующих условий:

- От насыщенности фона и объекта. Чем больше насыщен по цвету окружающий фон, тем большее влияние оказывает он на расположенный в его окружении цвет.

- От разницы светлот фона и объекта. Хроматический контраст наиболее эффективен при приблизительном равенстве светлот контрастирующих цветов.

- От «температуры» цветового тона фона. Все холодные цвета дают более сильный контраст, нежели теплые.

- От размеров фона и объекта или от расстояния до точки наблюдения. До определенного предела ощущение контраста усиливается пропорционально расстоянию, затем начинают действовать законы оптического смешения.

- От яркости освещения. Эффективность контраста находится в обратной зависимости от яркости освещения контрастирующих цветных плоскостей. Сильное освещение уничтожает действие контраста, слабое, наоборот, повышает.

- От времени наблюдения. При восприятии всякой пары или группы цветовых пятен наш глаз не остается неподвижным. Это приводит к тому, что действие контраста наиболее эффективно в очень короткий промежуток времени и затем ослабевает, изменяя реагирующий цвет не в сторону дополнительного, а в сторону фонового. Гельмгольц называл это процесс «подравниванием», объясняя его действием последовательных образов, а также утомляемостью органа зрения.

Обработка результатов.

I. Последовательный цветовой контраст.

1). Определим закон возникновения цветового ощущения (последовательного образа).

Цвет фона: белый;

Цвет стимула: 1 – красный, 2 – зеленый, 3 – синий, 4 – желтый.

• Определим цвет послесвечения для каждого цвета стимула и занесем полученнные данные в таблицу 1:

Таблица 1.

Цвет стимула	Красный	Зеленый	Синий	Желтый
Цвет послесвечения	Бирюзовый	Розовый	Персиковый	Фиолетовый

2). Определим закон изменения времени ощущения послесвечения.

• Измерим время послесвечения (при помощи секундомера) в зависимости от времени предъявления стимула на 30, 45, 60 с и занесем полученные данные в таблицы 2, 3, 4 и 5.

Таблица 2.

Время предъявления красного стимула, с	30	45	60
Время послесвечения, с	31	49	54

Таблица 3.

Время предъявления зеленого стимула, с	30	45	60
Время послесвечения, с	32	42	56

Таблица 3.

Время предъявления синего стимула, с	30	45	60
Время послесвечения, с	36	46	48

Таблица 4.

Время предъявления желтого стимула, с	30	45	60
Время послесвечения, с	13	18	31

• По полученным данным построим графики зависимости времени послесвечения от времени предъявления стимула для каждого цвета.

Красный цвет стимула:

Рис. 3 – График зависимости времени послесвечения от времени предъявления красного стимула.

Зеленый цвет стимула:

Рис. 4 – График зависимости времени послесвечения от времени предъявления зеленого стимула.

Синий цвет стимула:

Рис. 5 – График зависимости времени послесвечения от времени предъявления синего стимула.

Желтый цвет стимула:

Рис. 6 – График зависимости времени послесвечения от времени предъявления желтого стимула.

3). Проверим неподвижность последовательного образа относительно сетчатки – закон Эммерта:

На расстоянии 30 см от экрана изображение было неподвижно.

На расстоянии 200 см от экрана изображение увеличилось и осталось неподвижным.

II. Одновременный цветовой контраст.

1).Определим закон изменения цветовосприятия при одновременном цветовом контрасте ахроматических цветов.

Цвет фона эталона (слева): черный;

Цвет фона сравнения (справа): белый;

Цвет стимула (объекта) эталона: серый [192; 192; 192]).

Подобрав цвет стимула (объекта) сравнения, равный по ощущению эталонному стимулу, получен следующий цвет: [174; 174; 174].

2). Определим закон изменения цветовосприятия при одновременном цветовом контрасте хроматических цветов.

Цвет фона эталона: 1 – красный ([180; 0; 0]); 2 – синий ([0; 0; 180]); 3 – зеленый ([0; 180; 0]).

Цвет фона сравнения: белый;

Цвет стимула эталона: желтый ([255; 0; 255]).

Подберем цвет стимула (объекта) сравнения, равный по ощущению эталонному стимулу и занесем полученные данные в таблицу 5.

Цвет фона эталона	Красный ([180; 0; 0])	Синий ([0; 0; 180])	Зеленый ([0; 180; 0])
Цвет стимула сравнения	[255; 23; 255]	[255; 0; 255]	[255; 20; 234]

Вывод. В ходе выполнения лабораторной работы был изучен феномен последовательного цветового контраста (возникновение последовательных образов) – изменение процесса цветоощущения после предварительной адаптации к излучению определенного спектрального состава.

Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что при проверке закона возникновения цветового ощущения (последовательного образа) выявлено, что наблюдаемые цвета последовательных образов являются дополнительными цветами первичных раздражителей (красный - бирюзовый, зеленый - розовый и так далее), следовательно, практические результаты соответствуют теоретическим.

При исследовании закона времени ощущения послесвечения (последовательного образа) определено, что с увеличением времени стимула возрастает и время послесвечения, при этом цвет послесвечения остается неизменным.

В результате проверки закона Эммерта можно сделать вывод, что исследования соответствует данному закону ,так как объекты, которые формируют на сетчатке изображения одинакового размера, будут казаться разноразмерными, если они представляются расположенными на разных расстояниях. В частности, кажущийся линейный размер объекта возрастает по мере удаления его от наблюдателя.

При проверке закона изменения цветовосприятия при одновременном цветовом контрасте автоматических цветов выявлено, что цвет, примерно приближенный к эталонному стимулу немного светлее стимула эталона. Следовательно исследования были произведены верно.

При проверке закона изменения цветовосприятия при одновременном цветовом контрасте хроматических цветов определены цвета стимула эталона, приблизительно равные цвету фона.