Психофизику как науку можно по праву поставить в один ряд с традиционны ми дисциплинами: физикой, химией и биологией.

Психофизическим инструментарием пользуются для выполнения количе ственных измерений, характеризующих феномен восприятия, который, на помним, часто считают сугубо субъективным явлением. Отметим, что резуль таты грамотно разработанных психофизических экспериментов являются столь же объективными и количественными, как измерение длины по линейке (или любое другое физическое измерение). Однако важно то, что стабильность результатов при психофизических измерениях ниже, чем при других физиче ских измерениях. В то же время, результаты психофизических экспериментов полезны и значимы, если данная нестабильность учтена (подобно тому, как она учитывается при физических измерениях). Психофизика изучает все парамет ры человеческого восприятия, но поскольку тема данной книги — это воспри ятие цветовое, мы будем детально обсуждать психофизику зрения.

Два класса экспериментов со зрением

Эксперименты со зрением делятся на два больших класса:

1.Эксперименты по определению порогов и соответствий, проводимые для измерения визуальной чувствительности к малым изменениям в стимуле (или в перцепционном равенстве).

2.Эксперименты по психометрическому шкалированию, предназначенные для выявления взаимоотношений между физическими и перцепционными ве личинами стимула.

В первую очередь крайне важно определить, эксперимент какого класса не обходим в том или ином случае.

Пороговые эксперименты подходят для измерения визуальной выявляемо сти стимула и чувствительности к его изменениям. Пороговый эксперимент можно провести, к примеру, для экспертизы двух моделей цветового воспри ятия, дающих разные практические результаты, или, к примеру, для оценки качества алгоритма сжатия изображения и ответа на вопрос: действительно ли этот алгоритм не ведет к визуальным потерям?

Эксперименты по психометрическому шкалированию подходят для тех слу чаев, когда необходимо определить взаимоотношения между стимулами, к при меру: эксперимент по шкалированию может быть проведен с целью выявления численных взаимоотношений между визуальным качеством отпечатанного изо бражения и адресным разрешением принтера. В моделировании цветового вос приятия результаты экспериментов по психометрическому шкалированию ис пользуются для выявления взаимоотношений между физически измеряемыми колориметрическими величинами (к примеру, координаты CIE XYZ) и такими цветовыми атрибутами, как светлота, насыщенность и цветовой тон.

2.2 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Психофизику, как и любую другую научную дисциплину, легче освоить, если обратиться к истории ее развития, однако, несмотря на то, что ученые столетия

64

ми экспериментировали со своими ощущениями и тщательно фиксировали на блюдения за ними, формальной психофизике не более 150 лет. Важными вехами в истории психофизики являются работы Вебера, Фехнера и Стивенса.

Труды Вебера

В начале XIX столетия Эрнст Генрих Вебер (1795–1878) исследовал воспри ятие веса. Вебер просил наблюдателей поднять гирьку, а затем, при всем необ ходимом экспериментальном контроле, понемногу увеличивал вес, пока на блюдатель не начинал отличать результирующий вес от изначального, то есть, Вебер проводил опыты по измерению весового порога. Ученый заметил, что если увеличивать изначальный вес, то его приращение, необходимое для дос тижения порога, пропорционально повышается. Если начальное количество стимула (в данном случае веса) обозначить как I, а изменение веса, необходи мое для достижения порога, обозначить как I, веберовские результаты можно выразить как постоянный коэффициент I/I. Это соотношение, именуемое за коном Вебера, в целом постоянно для многих стимулов восприятия.

Веберовский результат весьма интуитивен: представьте себе, что вы несете небольшую стопку бумаги, а затем добавляете к ней еще 20 листов, — понятно, что вы почувствуете изменение в весе. Теперь представьте себе, что вы тащите портфель, набитый книгами и бумагами, а затем добавляете все те же 20 лис тов, — добавленный вес скорее всего останется незамеченным. Сказанное озна чает, что при большей интенсивности начального стимула для достижения по рога восприятия потребуются большие изменения.

Закон Вебера, к примеру, объясняет то, почему днем не видно звезд. Ночью звезды обеспечивают некое приращение интенсивности ( I) к общей фоновой яркости неба (I), превышающее визуальный порог, благодаря чему звезды вид ны. В течение дня звезды дают все то же приращение интенсивности ( I) к фо новой яркости, однако фоновая яркость дневного неба (I) намного больше ярко сти ночного, а отношение I/I намного меньше — такое низкое, что звезд не видно.

Труды Фехнера

Следующая веха в истории психофизики — это труды Густава Теодора Фех нера (1801–1887). Для получения математических соотношений между интен сивностью стимула и величиной восприятия Фехнер использовал работы Вебе ра. Он пытался решить проблему взаимосвязи тела и разума, доказывая, что функции разума могут быть физически измерены. Благодаря своей работе «Элементы психофизики», опубликованной в 1860 году, он прославился и не ожиданно для самого себя был объявлен отцом основателем психофизики.

Фехнер начал с двух основных предположений:

1.Закон Вебера верен.

2.Т.н. «едва заметное отличие» (just noticeable difference — JND) можно считать единицей восприятия.

Веберовские результаты показали, что «едва заметные отличия» (JND), из меренные по физической шкале, действительно не равны между собой, но не

65

потому, что повышается интенсивность стимулов, а скорее потому, что повы шается соотношение интенсивностей стимулов. Фехнер стремился получить преобразование шкалы интенсивностей физических стимулов в шкалу вели чин восприятия, в которой JND имели бы одинаковый размер для всех перцеп ционных величин. Одним из решений данной проблемы является дифференци альное уравнение, составленное на основе закона Вебера, благодаря чему JND по шкале интенсивностей стимулов стали располагаться в геометрической про грессии. Логарифмическое преобразование привело к уравниванию величин приращения JND на шкале восприятия, благодаря чему JND, представленные равными соотношениями по физической шкале, преобразуются в равные при ращения по шкале восприятия. Такое преобразование известно как закон Фех нера. Проще говоря, закон Фехнера гласит, что величины восприятия стимула пропорциональны логарифму его физической интенсивности. Данная зависи мость проиллюстрирована рисунком 2.1.

Закон Фехнера приводит к т.н. нелинейной компрессии отношений между физическим измерением стимула и величинами его восприятия, что иллюстри рует понижение чувствительности при повышении интенсивности стимула (крутой участок кривой на рис. 2.1).

Если бы закон Фехнера был строго точен, то отношения были бы нелинейны для всех видов восприятия: действительно, нелинейная компрессия относится к большинству видов восприятия, но некоторые виды описываются функция ми с иными формами кривых, и это значит, что закон Фехнера не до конца то чен. Однако, в научной литературе о зрении есть множество примеров полного подчинения закону Фехнера (или по крайней мере закону Вебера).

Труды Стивенса

Апеллируя к ущербности результатов Фехнера, Стэнли Смит Стивенс (1906–1973) в 1961 г.1 публикует работу с громким названием «Чтим Фехнера, но отменяем его закон». Стивенс изучал взаимоотношения между интенсивно стью физического стимула и величиной восприятия для его 30 различных ви дов, используя при этом количественные методы оценки. Стивенс обнаружил, что его результаты дают прямые линии, когда логарифм величины восприятия взят как функция от логарифма интенсивности стимула, при этом прямые ли нии для различных видов восприятия имеют разный наклон. Прямые линии в логарифмических (log log) осях соответствуют степенным функциям в линей ных осях, а наклоны кривых в логарифмических осях — коэффициентам сте пенных функций в линейных осях.

Стивенс предположил, что отношения между величиной восприятия и ин тенсивностью стимула идут не по логарифмической функции Фехнера, а по сте пенной зависимости с различными степенными коэффициентами для различ ных видов восприятия, что известно как степенной закон Стивенса.

На рис. 2.1 показаны три вида степенных функций с различными коэффици ентами. Когда степень меньше единицы, функция ведет к нелинейной компрес

1То есть к 100 летию выхода в свет «Элементов психофизики». — Прим. пер.

66