Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Е.В. Ларионова
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦВЕТА
Санкт-Петербург
2013
УДК 535.6
В содержание пособия вошли общие понятия о свет и цвете и его формировании. Психофизическое и эмоциональное воздействие цвета на человека. Рассмотрены вопросы формирования цвета в электронных устройствах (телевизор, ПК). Разобраны основные компьютерные модели RGB, CMYK, HSV, Lab и др. В конечной лекции рассматриваются вопросы композиции цветов и их влияние на психофизическое и эмоциональное состояние человека
Пособие предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 261400.62 – Технология художественной обработки изделий. 261001.65 – Технология художественной обработки материалов.
В конце разделов приведены вопросы для самопроверки.
Является составной частью курса дисциплины «Физические основы цвета» и знакомит с использованием цветовых моделей
Рецензенты: кафедра материаловедения и технологии художественных изделий, проф. Е.И. Пряхин (зав. кафедрой, д-р техн. наук)
Ларионова Е.В.
Физические основы цвета: Учеб.пособие / Е.В. Ларионова. – Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013. - 212 с
ÓНациональный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» 1
Е.В. Ларионова 1
Санкт-Петербург 1
УДК 535.6 2
В содержание пособия вошли общие понятия о свет и цвете и его формировании. Психофизическое и эмоциональное воздействие цвета на человека. Рассмотрены вопросы формирования цвета в электронных устройствах (телевизор, ПК). Разобраны основные компьютерные модели RGB, CMYK, HSV, Lab и др. В конечной лекции рассматриваются вопросы композиции цветов и их влияние на психофизическое и эмоциональное состояние человека 2
Пособие предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению 261400.62 – Технология художественной обработки изделий. 261001.65 – Технология художественной обработки материалов. 2
В конце разделов приведены вопросы для самопроверки. 2
Ларионова Е.В. 2
Одновременный световой контраст 37
Одновременный цветовой контраст 42
Современные попытки объяснения механизмов цветового зрения 60
Попытки подтвердить существование 3-х типов колбочек 62
Нелинейная двухэлементная модель цветовосприятия 67
Система описания цветов RGB (1931г) 117
Графическое представление цветов в системе RGB 124
Система описание цветов XYZ (1931г) 127
Свет и цвет. Ахроматические и хроматические цвета
Характеристики цвета
Цветовые ряды
Строение и оптика глаза
Аномалии цветового зрения
1.1 Свет и цвет. Ахроматические и хроматические цвета
Для лучшего понимания художественной теории света полезно освежить в памяти основы его физической теории. Это поможет провести параллели между физическими и художественными терминами, лучше понять их смысл и установить четкую взаимосвязь между ними. Еще из школьного курса физики мы знаем о том, что свет является одной из разновидностей электромагнитных колебаний и его волновые свойства легко поддаются описанию традиционными физическими методами. Как и любое другое электромагнитное излучение, свет представляет собой энергетический поток, распространяющийся от породившего его источника в окружающее пространство.
Цвет — это свойство света вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения. Свет разных длин волн возбуждает разные цветовые ощущения.
Цвет — компонент
Цвет — информационное свойство
Цвет — средство общения
Цвет — художественное размышление
Цвет—результат взаимодействия света, объекта и наблюдателя.
Цветоведение изучает и раскрывает основные закономерности в области цветовых явлений природы, создаваемой человеком предметной среды и всего мира искусств (тех его видов, которые ориентированы на зрительное восприятие).
Цветоведение объясняет эти явления с позиций ряда наук: физики, математики, химии, психологии, психофизиологии, эстетики, искусствознания, теории композиции, археологии, этнографии, культурологии.
С позиций физики (оптики) цвет имеет световую природу.
Возникновение цветовых ощущений невозможно без света.
Свет - это электромагнитное волновое движение. Длины волн видимого цвета заключены в интервале от 380 н.м. до 760 н.м. См. рис.
Длина световой волны обычно выражается в нанометрах (нм). Один нанометр равен одной миллиардной метра.
Видимый свет имеет длину волны от 400 до 700 нм. Данный диапазон называется видимым спектром.
Рисунок 1- Видимая часть спектра
Белый свет объективно - оптическое смешение волн различной длины и является не простым, а составным (сложным).
Пропускаемый через прозрачную бесцветную трехгранную стеклянную
призму луч белого света разлагается на составляющие простые цвета
Спектр - плавно переходящие друг в друга в определенном порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый,голубой, синий, фиолетовый спектральные цвета
( цветовые тона)
Отдельные спектральные цвета, соответствующие определенной длине световой волны, являются простым, или монохроматическим,светом.
Спектральные цвета не разложимы на отдельные цвета, как белый цвет призмой.
Пурпурный ряд цветовых тонов отсутствует в спектре солнечного
света (или любого источника света), поэтому их и называют неспектральными.
Таблица 1. Спектральные и не спектральные цвета видимого электромагнитного излучения
|
Группы цветов |
Наименование цвета световых потоков |
Диапазон длин ватн. нм | ||
|
Спектральные (видимый спектр)
|
Коротковолновые |
Фиолетовым (синевато-пурпурный) (bР) |
380-430 | |
|
Средне-волновые
|
Сине-фиолетовый (пурпурно-синий) (рВ) |
430-465 | ||
|
Синий (В) |
465-482 | |||
|
Зеленовато-синий (gВ) |
482-487 | |||
|
Сине-зеленый (ВG) |
487-493 | |||
|
Синевато-зеленый (bG) |
493-498 | |||
|
Зеленый (G) |
498-530 | |||
|
Желтовато-зеленый (yG) |
530-558 | |||
|
Желто- зеленый (YG) |
558-570 | |||
|
Длинновол новые
|
Зеленовато-желтый (gY) |
570-575 | ||
|
Желтый (Y) |
575-580 | |||
|
Желто-оранжевый (уО) |
580-586 | |||
|
Оранжевый (О) |
586-595 | |||
|
Красновато-оранжевый (rO) |
595-620 | |||
|
Красный (R) |
620-680 | |||
|
Неспектральные
|
Пурпурновато-красный (pR) |
494-498 | ||
|
Красно-пурпурный (RP) |
498-528 | |||
|
Красновато-пурпурный (гР) |
528-553 | |||
|
Пурпурный (Р) |
553-563 | |||
1.2 Характеристики цвета
Все цвета подразделяются на: хроматические, ахроматические, полухроматические.
Ахроматические - белый, черный, и все оттенки серого. В этот спектр входят лучи всех длин волн в равной степени, причем энергия отдельных лучей составляющих эту смесь одинакова. белый, черный, и все оттенки серого.
Хроматические цвета - все спектральные и многие природные. В этот спектр входят все лучи, но есть преобладание какой-либо волны (максимум). Например, в спектре красного цвета, красные лучи (760-620 н.м.) несут большую часть энергии всего потока.
Полухроматические цвета - земляные цвета, т.е. цвета смешаны с ахроматическими цветами.
Цветовой тон — качество цвета, определяемое длиной световой волны (в нм) и приравниваемое к одному из спектральных или не спектральных (пурпурных) цветов. Цветовой тон (λ) дает название цвету.
Насыщенность — степень отличия хроматического цвета от равного
ему по светлоте (яркости) ахроматического (серого). (Из-за трудоемкости определения этой характеристики цвета ее обычно заменяют
другой — чистотой цвета).
Чистота (колориметрическая насыщенность) — это процентная
доля чистого спектрального цвета в общей яркости данного цвета:
, где
P — чистота цвета; B λ — яркость чистого спектрального цвета (= 100 %); Σ B — яркость белого цвета в смеси
Светлота — степень отличия данного цвета от черного, измеряемая числом порогов различия (n) от данного цвета до черного.
Яркость (относительная яркость) — это отношение величины по-
тока света, отраженного от данной поверхности, к величине потока
света, на нее падающего. Измеряется коэффициентом отражения ρ (ро).
Насыщенность, или чистота, цвета зависит от степени «разбавления» спектрального цветового тона белым, черным или серым (различной светлоты)
Максимальнонасыщенные цвета — это цвета спектра и пурпурного ряда (неспектральные). Цвета с сильно выраженной хроматичностью называются насыщенными.
Малонасыщенные цвета — это цвета, «разбавленные» в той или иной степени ахроматическими
Качественной характеристикой хроматических цветов является
Цветность = цветовой тон + насыщенность (чистота),
а ахроматических цветов — только светлота.
Смешение хроматических и ахроматических цветов образует все богатство сложных (смешанных) цветов и их оттенков, наблюдаемых нами в природе и созданной человеком предметно-пространственной среде.
Рисунок 2 – Цветовые ряды: хроматический и ахроматический
1.3 Цветовые ряды
Цветовой ряд -это последовательность цветов, у которых, по крайней мере одна характеристика общая, а другие закономерно изменяются от одного цвета к другому.
1) Ряд убывающей чистоты и возрастающей яркости. Этот ряд формируется разбеливанием, т.е. добавлением белого цвета к спектральному.
2) Ряд убывающей насыщенности (приглушение).
3) Ряд убывающей яркости и убывающей насыщенности (зачернение).
4) Ряд по цветовому тону. Это смешение двух соседних спектральных цветов (причем в пределах не более 1/4 интервала светового круга).
Рисунок 3 – Цветовые ряды:
Ряд по цветовому тону. Ряд убывающей насыщенности
Ряд убывающей яркости и убывающей насыщенности. Ряд убывающей чистоты и возрастающей яркости
Температура цвета. Это его относительная теплота или холодность.
Теплые: Красный, Красно-Оранжевый, Оранжевый, Желто-Оранжевый, Желтый, Желто-Зеленый.
Холодные: Голубой (Сине-Зеленый), Синий, Сине-Фиолетовый, Фиолетовый.
Самый горячий: Красно-Оранжевый.
Самый холодный: Голубой (Сине-Зеленый).
Нейтральные ( Зеленый и Пурпурный).
Рисунок 4 – 8-секторный цветовой круг
Цветовые круги.
Принято выделять две группы цветовых кругов:
физические (за основу взят 7-ступенчатый цветовой круг Ньютона)
физиологические (за основу взят цветовой круг 6-ступенчатый круг Гете).
|
Рисунок 5 – 24-секторный цветовой круг.
|
Последовательность:
|
Рисунок 6 - 6-секторный цветовой круг И. В. Гете
1.4 Строение и оптика глаза
Глаз является единственным органом человека, имеющим оптически прозрачные ткани, которые называются иначе оптическими средами глаза. Именно благодаря им лучи света проходят в глаз и человек получает возможность видеть. Попробуем в самом примитивном виде разобрать строение оптического аппарата органа зрения.
Глаз имеет шаровидную форму. Он окружен белочной и роговой оболочками. Белочная оболочка состоит из плотных, пучков переплетающихся волокон, она белого цвета и непрозрачна. В передней части глазного яблока в белочную оболочку «вставлена» примерно так же, как часовое стекло в оправу, роговая оболочка. Она имеет сферическую форму и, что самое важное, совершенно прозрачна. Лучи света, падающие на глаз, прежде всего проходят через роговую оболочку, которая сильно преломляет их.
После роговой оболочки световой луч проходит через переднюю камеру глаза — пространство, заполненное бесцветной прозрачной жидкостью. Глубина ее в среднем 3 миллиметра. Задней стенкой передней камеры является радужная оболочка, придающая цвет глазу, в центре ее находится круглое отверстие — зрачок. При осмотре глаза он нам кажется черным. Благодаря мышцам, заложенным в радужной оболочке, зрачок может изменять свою ширину: сужаться на свету и расширяться в темноте. Это как бы диафрагма фотоаппарата, которая автоматически ограждает глаз от поступления большого количества света при ярком освещении и, наоборот, при пониженном освещении, расширяясь, помогает глазу улавливать даже слабые световые лучи. После прохождения через зрачок луч света попадает на своеобразное образование, которое называется хрусталиком. Его легко себе представить — это чечевицеобразное тело, напоминающее обычную лупу. Свет может свободно проходить через хрусталик, но при этом он преломляется так же, как по законам физики преломляется световой луч, проходящий через призму, т. е. отклоняется к основанию.
Мы можем себе представить хрусталик, как две призмы, сложенные основаниями. Хрусталик обладает еще одной чрезвычайно интересной особенностью: может изменять свою кривизну. По краю хрусталика прикрепляются тонкие нити, называемые цинновыми связками, которые другим своим концом сращены с ресничной мышцей, находящейся за корнем радужной оболочки. Хрусталик стремится принять шарообразную форму, но этому мешают натянутые связки. При сокращении ресничной мышцы связки расслабляются, и хрусталик становится более выпуклым. Изменение кривизны хрусталика не остается бесследным для зрения, так как лучи света в связи с этим изменяют степень преломления. Это свойство хрусталика изменять свою кривизну, как мы увидим ниже, имеет очень большое значение для зрительного акта.
После хрусталика свет проходит через стекловидное тело, заполняющее всю полость глазного яблока. Стекловидное тело состоит из тонких волокон, между которыми находится бесцветная прозрачная жидкость, обладающая большой вязкостью; эта жидкость напоминает расплавленное стекло. Отсюда и произошло его название — стекловидное тело.
Лучи света, пройдя через роговую оболочку, переднюю камеру, хрусталик и стекловидное тело, попадают на чувствительную к свету сетчатую оболочку (сетчатка), которая наиболее сложно устроена из всех оболочек глаза. В наружной части сетчатки имеется слой клеток, которые под микроскопом имеют вид палочек и колбочек. В центральной части сетчатки сосредоточены преимущественно колбочки, которые играют основную роль в процессе наиболее ясного, отчетливого зрения и цветового ощущения. Дальше от центра сетчатки начинают появляться палочки, количество которых увеличивается к периферическим участкам сетчатки. Колбочек же, наоборот, чем дальше от центра, тем становится меньше. Ученые подсчитали, что в сетчатке человека находится 7 миллионов колбочек и 130 миллионов палочек. В отличие от колбочек, которые действуют на свету, палочки начинают «работать» при пониженном освещении и в темноте. Палочки очень чувствительны даже к небольшому количеству света и поэтому дают возможность человеку ориентироваться в темноте.
Рисунок 7 - Строение глазного яблока человека
Рисунок 8 – чувствительность колбочек к различным длинам волн
чувствительность палочек и колбочек трех типов к различным длинам волн видимого спектра
чувствительность палочек и колбочек трех типов к различным длинам волн видимого спектра
1.5 Аномалии цветового зрения
Аномалиями обычно называют те или иные незначительные нарушения цветовосприятия. Они передаются по наследству как рецессивный признак, сцепленный с X-хромосомой. Лица с цветовой аномалией все являются трихроматами, т.е. им, как и людям с нормальным цветовым зрением, для полного описания видимого цвета необходимо использовать три основных цвета. Однако аномалы хуже различают некоторые цвета, чем трихроматы с нормальным зрением, а в тестах на сопоставление цветов они используют красный и зеленый цвет в других пропорциях. Тестирование на аномалоскопе показывает, что при протаномалии в цветовой смеси больше красного цвета, чем в норме, а при дейтераномалии в смеси больше, чем нужно, зеленого. В редких случаях тританомалии нарушается работа желто-синего канала.
Дихроматы
Различные формы дихроматопсии также наследуются как рецессивные сцепленные с Х-хромосомой признаки. Дихроматы могут описывать все цвета, которые видят, только с помощью двух чистых цветов. Как у протанопов, так и у дейтеранопов нарушена работа красно-зеленого канала.
Протанопы путают красный цвет с черным, темно-серым, коричневым и в некоторых случаях, подобно дейтеранопам, с зеленым. Определенная часть спектра кажется им ахроматической. Для протанопа эта область между 480 и 495 нм, для дейтеранопа - между 495 и 500 нм.
Редко встречающиеся тританопы путают желтый цвет и синий. Сине-фиолетовый конец спектра кажется им ахроматическим - как переход от серого к черному. Область спектра между 565 и 575 нм тританопы также воспринимают как ахроматический.
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
Рисунок 9 – различные цветовые аномалии.
а) здоровые люди б) дейтеранопы в) протанопы г) тританопы
Лекция 2. Закономерности восприятия цвета
Пороги ощущения
Восприятие всетлоты
Восприятие цветности и насыщенности
Цветоразличительная способность глаза
Явления адаптации и контраста
Психофизиологическое воздействие цвета
Влияние цвета на физиологию человека
2.1 Пороги ощущения
Решение психофизической проблемы – отношения психики и физического мира – начинается с определения границы между психическими и физическими явлениями, т. е. в какой момент в структуре мира происходит качественный скачок и возникает то, что мы называем психикой. С постановкой этого вопроса связано возникновение научной психологии и ее основополагающего раздела – психофизики.
В 1860 г. была опубликована работа немецкого ученого – физика, математика, психолога и философа – Густава Теодора Фехнера «Основы психофизики». Этой публикацией было положено начало науке психологии, науке со своим предметом исследования и методами, среди которых главным является эксперимент. До Фехнера психология была набором умозрительных спекуляций. В конце XVIII в. Кант утверждал, что невозможно построить науку психологию, такую же точную, как физика или химия, во-первых, потому, что в психологии принципиально неприменима математика, во-вторых, потому, что никогда невозможно будет заставить человека вести себя так, как нужно психологу (т. е. невозможно применять в психологии эксперимент как метод исследования). Такое положение дел можно объяснить тем, что психология не могла найти свой предмет. Пытаясь заниматься тем, что мы сегодня называем высшими психическими процессами и функциями, психологи того времени не могли найти основу своих исследований, нащупать научную почву под ногами и поэтому вынужденно вязли в трясине квазинаучных спекуляций. Кроме того, здоровую конкуренцию создавало бурное развитие естественных наук. Казалось, еще немного – и очередной Базаров разрежет очередную лягушку и наконец обнаружит душу (что психология, по определению, пытается исследовать душу, признавали почти все). Это по меньшей мере лишало психологию социального заказа.
Фехнер, будучи пантеистом, считал, что материальное и идеальное – это две стороны единого целого. Он задался целью выяснить, где проходит граница между материальным и идеальным. Фехнер подошел к этой проблеме как естествоиспытатель. Процесс создания психического образа он представил схемой, изображенной на рисунке.
Схема, предложенная Фехнером, почти повторяет рассмотренную выше схему процесса восприятия, которую используют современные психофизики. Самым главным в идее Фехнера было то, что он впервые включил элементарные ощущения в круг интересов психологии. До Фехнера считали, что исследованием ощущений, если это кому-нибудь интересно, должны заниматься физиологи, врачи, даже физики, но только не психологи. Для психологов это слишком примитивно. Искомая граница проходит там, где начинается ощущение, т. е. возникает первый психический процесс. Величину стимула, при которой начинается ощущение, Фехнер назвал нижним абсолютным порогом. Для определения этого порога им были разработаны методы, до сих пор активно используемые в психологических экспериментах. В методологическую основу своих исследований Фехнер положил два утверждения, называемые первой и второй парадигмой классической психофизики.
1.Сенсорная система человека – это измерительный прибор, который соответствующим образом реагирует на воздействующие физические стимулы.
2.Психофизические характеристики у людей распределены по нормальному закону, т. е. случайным образом отличаются от какой-то средней величины, аналогично антропометрическим характеристикам.
Из первого утверждения вытекает требование организовывать психофизический эксперимент таким образом, чтобы исключить влияние на его результаты всех психических систем, кроме сенсорной. Второе утверждение позволяет проводить исследования на небольшом количестве испытуемых и распространять выводы на всю генеральную совокупность – все население Земли. Эти два постулата очень упрощенно представляли изучаемую проблему, но это упрощение помогло начать экспериментальные исследования и получить значительные результаты. Сегодня мы понимаем, что обе эти парадигмы уже устарели. Первая противоречит принципу активности целостной психики, кроме того, оказалось, что невозможно выделить и исследовать в эксперименте одну, даже самую примитивную, психическую систему из целостной структуры человеческой психики. Несостоятельность второй парадигмы частично следует из несостоятельности первой – активизация в психофизическом эксперименте всех психических систем от самых низших до самых высших приводит к очень большому разнообразию реакций испытуемых, следовательно, к разнообразию их психофизических характеристик, что позволяет сегодня говорить о необходимости создания дифференциальной психофизики, т. е. психофизики, в которой декларируется индивидуальный подход к каждому испытуемому в эксперименте.
Кроме того, Фехнер считал, что человек не может непосредственно оценивать свои ощущения количественно, поэтому он разработал «косвенные» методы, с помощью которых можно количественно представить отношения между величиной раздражителя (стимула) и интенсивностью вызванного им ощущения. Рассмотрим измерение психофизических порогов на примере метода минимальных изменений
Понятие «порог» ввел Гербарт:
Порог – это граница между сознательным и бессознательным. Пороги чувствительности могут быть:
1) Абсолютный порог – граница между ощущаемым и неощущаемым. Это физическая величина раздражителя, соответствующая границе между стимулами, вызывающими и невызывающими ощущение.
2) Дифференциальный порог – граница между различением и неразличением двух сигналов. Это граница между раздражителями, выше которой испытуемый различает отличие между раздражителями, ниже которой – не различает, т.е. стимулы кажутся ему одинаковыми.
1) Концепция дискретности ощущений Фехнера – ощущения нарастают скачками.
2) Концепция непрерывного сенсорного ряда. Оппоненты Фехнера говорили, что порог чувствительности человека не статичная точка, что он может изменяться в зависимости от условий (усталость).
3)Нейроквантовая теория (Боринг, Стивенс), компромисс между №1 и №2. Функциональная единица нервной системы – нервный квант, который работает по принципу «все или ничего». Квантов много, они суммируются и в результате ощущение возрастает непрерывно.
Не всякий раздражитель, воздействующий на рецепторные окончания того или другого анализатора, способен вызвать ощущение. Для этого необходимо, чтобы раздражитель имел определенную величину или силу.
Нижним абсолютным порогом ощущения называется минимальная величина, или сила, раздражителя, при которой он оказывается способным вызывать в анализаторе нервное возбуждение, достаточное для возникновения ощущения.
Абсолютная чувствительность того или другого органа чувств характеризуется величиной нижнего порога ощущения. Чем меньше величина этого порога, тем выше чувствительность данного анализатора. Большинство анализаторов обладает очень высокой чувствительностью. Например, абсолютный нижний порог слухового ощущения, измеряемый в единицах давления воздушных звуковых волн на барабанную перепонку, равняется у человека в среднем 0,001 бора. Насколько велика эта чувствительность, можно судить по тому, что один бор равняется одной миллионной части нормального атмосферного давления. Еще выше чувствительность зрительного анализатора. Абсолютный нижний порог ощущения света равняется 2,5—10"" эрг/сек. При такой чувствительности человеческий глаз может заметить на расстоянии одного километра свет, интенсивность которого составляет всего несколько тысячных долей нормальной свечи.
Верхний абсолютный порог ощущения соответствует той максимальной величине раздражителя, сверх которой этот раздражитель перестает ощущаться. Так, абсолютный верхний порог слышимости тонов составляет у человека в среднем 20 000 колебаний звуковых волн в секунду.
В величинах абсолютных порогов ощущения наблюдаются значительные индивидуальные различия. У одних людей они выше, у других ниже. Изменяется величина порогов также и с возрастом. Так, у стариков абсолютный верхний порог слышимости тонов составляет 15 000 колебаний в секунду и ниже.
Разностным порогом ощущения (порогом различения) называется минимальная разница в интенсивности двух однородных раздражителей, которую человек способен ощутить. Не всякая разница в интенсивности двух однородных раздражителей ощущается. Необходимо, чтобы эта разница достигала определенной величины. Например, звуки в 400 и 402 колебания в секунду воспринимаются как звуки одинаковой высоты; два груза весом 500 и 510 г кажутся одинаково тяжелыми.
Величиной разностного порога ощущения определяется разностная чувствительность, или чувствительность различения. Чем меньше величина разностного порога, тем выше способность данного анализатора дифференцировать раздражения.
Чувствительность анализаторов повышается или понижается в зависимости: а) от внешних условий, сопутствующих основному раздражителю (острота слуха более высока в тишине и понижается при наличии шумной обстановки); б) от состояния рецептора (глаз, утомленный интенсивным светом, снижает свою чувствительность); в) от состояния центральных отделов анализаторов (при болезненном состоянии организма, при наличии значительного умственного утомления или при перетренировке чувствительность снижается).
Немецкий анатом и физиолог Э.Г.Вебер (1795—1878), исследуя зависимость интенсивности ощущений от изменений интенсивности раздражений, установил (1846, 1851), что между величиной раздражения и вызываемой им интенсивностью ощущения нет прямого соответствия. Например, чтобы ощутить едва заметное различие в тяжести, необходимо груз в 100 г увеличить или уменьшить примерно на 10 г. Но едва заметная разница в ощущении для груза в 1000 г будет вызываться прибавкой к основному грузу уже не 10, а 100 г. Это показывает, что величина разностного порога зависит не от абсолютной, а от относительной величины раздражителей: чем больше интенсивность исходного раздражителя, тем больше его надо увеличить, чтобы получить едва заметную разницу в ощущениях.
Увеличение интенсивности раздражителя, способное вызвать едва заметное увеличение интенсивности ощущения, всегда составляет определенную часть первоначальной величины или силы раздражителя. Например, для ощущений света эта прибавка составляет 0,01 первоначальной величины раздражителя, а для слуховых ощущений 0,1; для ощущений тяжести (при взвешивании на руке) —1/17 первоначального груза, для ощущения давления — 1/30 исходного давления и т. д.
Немецкий врач и философ Г.Т.Фехнер (1801 —1887), продолжая исследования Вебера по измерению ощущений, выразил вскрытую Вебером закономерность в математической формуле (1860), показав, что ощущение изменяется пропорционально логарифму раздражения. По этому психофизическому закону зависимость интенсивности ощущения от силы раздражителя может быть выражена следующим образом: интенсивность ощущений изменяется в арифметической прогрессии, тогда как интенсивность соответствующих раздражений изменяется в геометрической прогрессии (закон Вебера — Фехнера).
Основные факты, положенные в основу закона Вебера — Фехнера, не могут вызывать сомнения: действительно, величина разностного порога относительна и в пределах средних интенсивностей раздражителей меняется в зависимости от абсолютной величины раздражителя. Однако попытка придать исследуемой закономерности строго математическое выражение оказалась несостоятельной, поскольку едва заметные различия в ощущениях не являются постоянными величинами. Нельзя считать, что едва заметное ощущение различия грузов в 100 и 110 г равняется едва заметному ощущению при сравнении грузов в 1000 и 1100 г. Таким образом, закон Вебера — Фехнера должен рассматриваться как имеющий всего лишь относительное значение для раздражителей средней интенсивности. В этих пределах он имеет большое практическое значение. Например, разностный порог при подъеме штанги будет неминуемо возрастать по мере увеличения ее веса; мышечная чувствительность борца ухудшается при встрече с противником более тяжелого веса; точность зрительной оценки расстояний при игре с мячом (футбол, хоккей, теннис и др.) меняется в связи с дальностью этих расстояний; сопротивление воздуха при прыжках на лыжах с трамплина ощущается с разной степенью точности в зависимости от силы ветра и т. д.
Как абсолютные, так и разностные пороги имеют большое значение в практической деятельности человека. Например, усвоение сложных видов физических упражнений облегчается в тех случаях, когда спортсмен имеет высокий разностный порог мышечно - двигательной и вестибулярной чувствительности. Это позволяет ему заметить и исправить малейшие отклонения в совершаемых им движениях.
2.2 Восприятие светлоты
При действии света на глаз возникает раздражение сетчатки. От сетчатки возбуждение передается в зрительный нерв и далее в мозг, вызывая ощущение света. Свойство зрительного ощущения, согласно которому предметы кажутся испускающими больше или меньше света, называется светлотой. Как мы уже знаем, на сетчатку попадают только определенные доли всей световой энергии, испускаемой предметами в окружающее пространство. Они выражаются величинами яркостей. Таким образом, интенсивность светового раздражения определяется величинами яркостей, а интенсивность светового ощущения — величинами светлот. Чем больше яркость, тем больше светлота. Поэтому можно сказать, что светлота есть мера ощущения яркости.
В повседневной жизни между понятиями яркости и светлоты часто не делают отчетливого различия, но при изучении зрительного восприятия света их необходимо четко различать. Яркость — объективная величина, ее можно измерить соответствующим прибором (как вы уже догадались, он называется яркометром). Светлота — величина субъективная, как и все ощущения. Например, лист белой бумаги на солнечном свету летом имеет яркость порядка 30000нт, а при свете настольной лампы — порядка 10–30нт. Однако никто не скажет, что один и тот же лист бумаги в одном случае более светлый, чем в другом. В числе ряда особенностей зрительного восприятия здесь проявляется его способность отделять характеристику освещения от характеристики освещаемого предмета. Это явление относится к разряду психологических, и, в частности, связано с памятью.
Из сказанного следует, что светлота не может быть непосредственно измерена и выражена абсолютными числами. Однако возможна количественная оценка, выражаемая словами: больше, меньше, равно, намного больше или меньше, едва различается. Причем этим выражениям можно вполне определенно сопоставить разности измеряемых яркостей. Таким образом можно изучить зависимость ощущения от раздражения.
В середине прошлого века немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891) ставил опыты для того, чтобы найти зависимость между величинами раздражения и ощущения. В 1851г. Вебер открыл закон, общий для всех органов чувств: и данная величина раздражения (яркость света, вес, сила звука, и др.) является мерой замечаемости его изменения.
Говоря проще, мерой чувственно воспринимаемых различий является не минимальная величина разности двух раздражений при данном уровне раздражения, а относительная величина, которая остается неизменной при изменении раздражения.
B/B = const
Позднее, в 1858г., Густав Фехнер (1801–1887, немецкий физик и врач) проводил опыты по зрительному различению яркостей. Он установил, что в случае яркостей отношение B/B постоянно в большом практически используемом диапазоне яркостей. Фехнер вывел математическую формулу зависимости изменения величины ощущения от изменения величины яркости.
S = k lgP
Так выглядит закон Вебера–Фехнера (k~100).
Закон Вебера-Фехнера, устанавливающий основную зависимость ощущения от возбуждения, показывает логарифмическую зависимость между тем и другим, когда ощущение пропорционально логарифму раздражения. В этой формулировке подразумевается возрастающий равноконтрастный ряд яркостей, на которые наш зрительный анализатор дает определенный сенсорный ответ, и этот ответ выражается логарифмической зависимостью. Это целесообразно с точки зрения биологической защиты нашего органа зрения. Связь возбуждения и сенсорного ответа на него может быть выражена кривой, показанной на илл.
По мере строго пропорционального увеличения яркости, ощущение ее прироста постепенно притупляется, и после определенной величины мы перестаем ощущать ее увеличение (В-const).
Рисунок 10–Зависимость возбуждения от светоощущения
Логарифмическая зависимость между возбуждением и ощущением при восприятии равноступенного ряда возрастающих яркостей (в соответствии с законом Вебера-Фехнера).
Эта закономерность очень важна для понимания восприятия возрастающих яркостей объекта, но не менее важна и другая закономерность - та, которая выражает восприятие яркостей не самого объекта, а лишь его изображения. Глядя на шкалу, мы должны отметить, что восприятие потемнения (а не только высветления, как в формуле Вебера-Фехнера) выражается другой, хотя и тоже логарифмической, кривой
То есть пропорциональное потемнение ощущается нами все менее внятно, пока не наступит момент, когда уже не важно, насколько следующее поле темнее предыдущего - они сливаются в одно сплошное черное. Другими словами, в изображении постоянный градиент контраста воспринимается нами как переменный, который постоянно уменьшается по логарифмическому закону от средней зоны яркости к самой темной до тех пор, пока ощущаемая разница между темными полями не станет меньше порога различимости, принятого в физиологической оптике.
Эта формула имеет важное значение. Она, в частности, объясняет, почему надо пользоваться величинами оптических плотностей, а не соответствующими им величинами коэффициентов пропускания и отражения. Действительно, если построить шкалу яркостей, оптические плотности которой составляют равномерный ряд, то она будет восприниматься как равномерная шкала светлот.
Выше рассматривалась разница двух яркостей, абстрагируясь от их окружения, неявно предполагая, что разница между ними много меньше их значений. При рассмотрении реальных образов это не так — имеется некоторый диапазон яркостей и некоторый средний уровень яркости, изменяющее наше восприятие.
Было установлено, что в натуральном объекте с максимальной яркостью 6000нт, интервалом яркостей 2.3 (200:1) и уровнем адаптации глаза 1500нт человеческий глаз может различить 100 уровней яркости. Эти показатели соответствуют ландшафту при среднем уровне освещения его дневным светом. В объекте с максимальной яркостью 40нт, интервалом яркостей 1.6 (40:1) и уровнем адоптации 10нт глаз может различить около 70 уровней яркости. Эти показатели соответствуют фотоотпечатку на бумаге выше упомянутого ландшафта и рассматриваемого при среднем искусственном освещении.
2.3 Восприятие цветности и насыщенности
Любому цветовому пучку можно подобрать тождественный ему по цвету монохроматический пучок, и если насыщенности их одинаковы, то будут тождественны и их цветовые тона.
Разностный порог ∆=1- называют порогом цветоразличения по цветовому тону.
Экспериментально установлено, что участки спектра, где порог ∆ имеет наименьшее значение, расположены вблизи 500 нм (голубые тона) и около 550-600 нм (от зеленых до оранжевых). Это области спектра, в которых глаз обладает наибольшей чувствительностью к измерению цветового тона (∆=1-2 нм). Хуже всего цветовые тона различаются на концах спектра (т.е. в сине-фиолетовой и красной областях), где ∆=4-6 нм.
Цветовой тон зависит не только от длины волны излучения, но и от освещения сетчатки глаза. Причем особенно велико смещение цветового тона в области 520 нм и после 650 нм, где оно достигает 20нм и более (явление Бецольда-Брюкке)
Цветовой тон смещается и в результате изменения насыщенности (чистоты) цвета ( явление Эбнея), что наиболее заметно на участках видимого спектра 530 и 620 нм.
Если подробнее, Синий цвет обладает самой высокой возбудимостью (см. рисунок). Это значит, что при уменьшении освещенности Синий цвет пропадает самым последним. Подробнее: при нормальном дневном освещении рассеянным светом хорошо воспринимаются все цвета спектра. При уменьшении освящения цветовой тон начинает смещаться. Остаются только Красный, Зеленый, Синий. Затем и они исчезают, Синий постепенно переходит в белесый, Красный - в Черный. Это явление называется явление Бецольда-Брюкке. При увеличении яркости происходит сдвиг светового тона к Желтому и Голубому (явление Эбнея).
Физической характеристикой насыщенности служит колориметрическая чистота цвета
=B/( B+ BБ), где
B - яркость монохроматического излучения, тождественного по цветовому тону данному излучению;
BБ – яркость белого излучения.
Наименьший прирост чистоты ∆=1- , который можно наблюдать глазом, называется порогом цветоразличения по насыщенности.
За чувствительность глаза насыщенности принимается величина, обратная ∆. Она, как и чувствительность глаза к цветовому тону, неравномерна распределена по всему спектру.
2.4 Цветоразличительная способность глаза
Для определения способности глаза реагировать на смену насыщенности цвета используется другая величина «порог цветоразличения по насыщенности» или просто «порог по насыщенности». На практике обычно измеряют число таких порогов:
Число порогов по насыщенности – это количество возможных (то есть еще различимых глазом) ступеней по разбавлению спектрально-чистого цвета белым цветом, до момента достижения ахроматического белого цвета. При этом считается, что все ступени разбавления обладают одинаковой яркостью, в точности равной первоначальной яркости монохроматического излучения.
Рисунок 11-Число регистрируемых глазом порогов по насыщенности для спектрально - чистых излучений с разной длиной волны (при изменении насыщенности цвета в диапазоне 100% - 0%)
Видно, что наибольшее число порогов, примерно 1820. характерно для коротковолновой и длинноволновой частей спектра. То есть в синих, голубых, зеленых и красных цветах глаз замечает разницу в насыщенности примерно через каждые (100% / 20) = 5%.
Для желтого цвета ( = 560 590 нм) число порогов примерно 7, то есть минимальная заметная глазом разница по насыщенность между двумя цветами в этой области составляет уже большую величину, примерно (100% / 7) 14%
При непрерывном измерении излучения по энергии и длине волны ощущение цвета изменяется дискретно, поэтому число цветов, различаемых глазом, ограничено.
Всего, согласно результатам этих опытов, глаз при определенных условиях освещения и величины поля зрения способен выделить в спектре около 150 цветовых тонов. Если к этому прибавить отсутствующие в спектре пурпурные цвета, то общее число различимых глазом цветовых тонов составит 180.
Чувствительность глаза к изменению насыщенности цвета исследовалась советскими учеными Б. М. Тепловым и И. М. Соколовым. Судя по результатам их опытов, число замечаемых глазом различий по насыщенности неодинаково для красной, желтой и синей поверхностей и колеблется от 7 до 12 градаций. Наиболее чувствителен глаз к различию яркостей. По данным экспериментов Кенига, глаз различает около 600 градаций яркости.
Следует иметь в виду, что способность к различению цветовых тонов не является постоянной и зависит от изменений цветовых объектов по насыщенности и яркости.
Чувствительность глаза к отдельным цветам изменяется не только количественно, .но также и качественно в зависимости от освещенности. Первым заметил эту закономерность чешский ученый Я. Пуркине. Она заключается в том, что при слабой освещенности не только понижается чувствительность глаза к различению цветовых тонов вообще, но и происходит смещение этой способности в сторону коротковолновой части спектра (синие, фиолетовые). В картинных галереях при плохом освещении кажется, что гаснут красные, оранжевые и желтые тона и, наоборот, повышается звучность синих и зеленых, что приводит к искаженному представлению о цветовом строе картины.
2.5 Явление адаптации и контраста.
Световая адаптация. Это снижение чувствительности глаза к свету при большой яркости поля зрения. Темновая адаптация - повышение чувствительности глаза к цвету при малой яркости. Хроматическая адаптация - снижение чувствительности глаза к цвету при более или менее длительном наблюдении его. Причем изменяются следующие характеристики: насыщенность цветов снижается или к цвету подмешивается Серый, светлые цвета темнеют, темные - светлеют, теплые холоднеют, холодные теплеют.
Цветовое утомление. Под воздействием цветового утомления цветовое ощущение может изменяться до неузнаваемости. Утомляющее действие цвета пропорционально ему количеству. В понятие "утомление" входит: функция цветового пятна, яркость, цветовой контраст, насыщенность, размеры пятна, время наблюдения. При прочих равных условиях наименьшее утомление будет у Синего и Желтого. Наибольшее - у Красного и Оранжевого. Чувствительность глаза понижается при восприятии не только ахроматических цветов, но и хроматических.
Если, например, часть синей драпировки закрыть черным картоном и некоторое время смотреть на драпировку, а затем черный картон убрать, то на том месте, где синяя драпировка была закрыта картоном, она покажется насыщеннее по цвету, чем незакрывавшаяся часть.
Следовательно, если цветовой раздражитель определенное время действует на наш глаз, то чувствительность глаза к этому цвету начинает понижаться. Возникает ощущение, что цвета потускнели, стали сближенными.
Влияет освещение различными источниками света. При свете лампы накаливания (теплый цвет) длинноволновые цвета становятся теплее и насыщеннее, светлота их повышается; коротковолновые (от Голубого до Фиолетового) - тускнеют, теплеют, становятся сероватыми (приглушенными).
При свете люминесцентных ламп выигрывают коротковолновые цвета и холодные Зеленые: их насыщенность и яркость возрастает. Длинноволновые цвета теряют насыщенность, холоднеют и могут быть искажены фиолетовым налетом.
2.6 Явления адаптации и контраста
Одновременный световой контраст
Явление светового контраста даже нашло отражение в поговорке: «чем ночь темней, тем звезды ярче». Суть явления в том, что светлое пятно на темном фоне кажется еще более светлым, а темное на светлом — темнее, чем оно есть на самом деле. В первом случае явление контраста носит название положительного, во втором — отрицательного. Если какое-либо пятно окружено другим более светлым или темным, его называют «реагирующим полем», а фон — «индуктирующим полем». Реагирующее поле всегда изменяет свою светлоту в ту или иную сторону более заметно, чем индуктирующее. На первый взгляд кажется, что эффективность контраста находится в прямой зависимости от разницы в светлоте между индуктирующим и реагирующим полями. Однако элементарные наблюдения показывают, что при чрезмерно больших яркостях действие контраста заметно ослабевает.
Объяснить этот факт, очевидно, можно тем, что величина порогов различения в черно-белой шкале уменьшается к концам неравномерно. Поэтому неопытные живописцы часто ошибаются, пытаясь передать соотношения светлот буквально, вне связи с общей яркостью участка картины, на котором находятся сопоставляемые пятна. В изображении возникает неприятная пестрота и резкость.
Явление светового контраста наблюдается и тогда, когда оба поля имеют одинаковый цветовой тон, но различаются по светлоте. Такой контраст называется монохроматическим. В этом виде контраста изменяется не только светлота, но и насыщенность. В сущности, с одновременным световым контрастом мы имеем дело и при сочетании хроматических и ахроматических цветов. Эксперименты, проведенные советским ученым Б. М. Тепловым, показали, что эффект одновременного светового контраста зависит от абсолютной яркости индуктирующего и реагирующего полей и от разницы яркостей реагирующего и индуктирующего полей. При очень низких различиях, так же как и при высоких, контраст отсутствует или весьма незначителен. Далее, он зависит от величины площадей реагирующего и индуктирующего полей. Чем меньше световое пятно, тем сильнее оно подвергается высветлению. Установлено также, что при равной яркости большое реагирующее поле всегда кажется темнее маленького индуктирующего. Контраст зависит также от расстояния между реагирующим и индуктирующим полями. Сила контрастного действия убывает по мере увеличения расстояния между контрастирующими полями. Наконец, на эффект контраста влияет величина индуктирующего поля. При освещенности, например, 100 люксов контраст будет значительно сильнее, чем при освещенности 500 люксов.
К этим стимулам следует еще добавить зависимость эффекта контраста от формы реагирующего поля: круг или кольцо, квадрат или буква на одном и том же фоне в равных условиях будут сопровождаться различной силы контрастом. Далее, если мы имеем два рядом расположенных пятна, которые не относятся между собой как фигура и фон, то контраст, который они вызывают, образуется не по принципу субординации, а по принципу равного взаимодействия.
Рисунок 12-Световой ахроматический контраст. Эффективность контраста зависит от светлоты реагирующего поля
Рисунок 13-Монохроматический контраст. От индуктирующего поля зависит эффективность контраста по светлоте, цветовому тону и насыщенности
Рисунок 14-Эффективность контраста зависит также от величины и формы реагирующего поля
К этим стимулам следует еще добавить зависимость эффекта контраста от формы реагирующего поля: круг или кольцо, квадрат или буква на одном и том же фоне в равных условиях будут сопровождаться различной силы контрастом. Далее, если мы имеем два рядом расположенных пятна, которые не относятся между собой как фигура и фон, то контраст, который они вызывают, образуется не по принципу субординации, а по принципу равного взаимодействия. Однако в данном случае контраст имеет тенденцию к исчезновению. Пока эти пятна достаточно велики и мы рассматриваем их одновременно, взаимодействие их остается заметным; при этом мы замечаем и пограничный контраст, о котором пойдет речь несколько ниже. Но если эти пятна достаточно малы или воспринимаются с большого расстояния, то возникает их оптическая смесь, и мы видим общий серый тон как сумму черного и белого.
Действие одновременного светового контраста оказывает весьма заметное влияние на рельефность изображения. Если мы возьмем рисунок гипсовой детали, сделанный в определенном диапазоне светлот на белом фоне, то рисунок будет восприниматься настолько объемным, насколько это задумано или достигнуто художником. Если затем этот же рисунок поместить на черный фон, то его объемно-пластические качества в значительной степени утрачиваются, рисунок будет выглядеть более плоским, бедным и вялым. Происходит это потому, что черный фон ослабляет, высветляет тени. Для того чтобы добиться того же эффекта объемности изображения на черном фоне, нужно усиливать густоту теней.
Явление одновременного светового контраста сопровождается не только потемнением или посветлением реагирующего поля, но и кажущимся изменением размеров. Светлое пятно на темном фоне кажется нам больше, чем оно есть на самом деле, и, наоборот, темное пятно как бы уменьшается в своих размерах.