Цветовое зрение

Цвет – это один из признаков или свойств света. Можно сказать, что цвет – это свойство видимого излучения, определяемые по вызываемому им у человеческого глаза ощущению.

Если излучение имеет сложный состав и содержит в себе все длины волн, т.е. имеет сплошной спектр, причем кривая распределения энергии близка к кривой распределения энергии в солнечном излучении (рис.30), то глаз получает впечатление белого света.

Рис. 30 – Распределение энергии в солнечном излучении [3]: I – за пределами атмосферы; II – при положении Солнца над головой; III – при высоте Солнца – 30° над горизонтом; IV – при условиях, близких к восходу и закату, 1° над горизонтом

Исаак Ньютон был первым, кто доказал, что белый свет есть свет сложный, состоящий из множества «цветных лучей». Он даже сделал вывод, что цветные лучи не являются сложными и не разлагаются на составные части. Это монохроматический свет. Впечатление света создает излучение, в котором часть световых волн, содержащихся в солнечном спектре, отсутствует или имеет иную интенсивность.

Если поверхность отражает или пропускает световой поток так, что спектральные коэффициенты отражения или пропускания для всех длин волн видимой области спектра одинаковы, то поверхность неизбирательно отражает или пропускает световой поток. Такие поверхности и тела не изменяют при пропускании или отражении света соотношения между мощностью излучения различных длин волн. При избирательном отражении или пропускании отдельные монохроматические составляющие отражаются или пропускаются больше, чем другие.

Поверхности, не изменяющие спектрального состава падающего на них облучения и имеющие коэффициент отражения не менее 85%, называются белыми.

Среды, через которые световой поток проходит, не меняя своего спектрального состава, называются безцветными.

Тела и среды, обладающие избирательным отражением или пропусканием, имеют при освещении белым светом ту или иную окраску и называются цветными. Следовательно, цвет окружающих нас предметов зависит от их избирательного отражения или пропускания, а также от спектрального состава падающего на предметы лучистого потока.

Сравнивая между собой цвета, мы прежде всего разделяем их на две группы: ахроматические и хроматические – цветные. К ахроматическим относятся черный, белый и все лежащие между ними серые цвета. Ахроматические цвета бесцветны и в спектре отсутствуют. Ахроматические цвета имеют тела с неизбирательным отражением или пропусканием при освещении их белым светом. Чем меньше коэффициент отражения или пропускания таких тел, тем темнее они кажутся при освещении белым светом.

При смешении черного и белого цветов в различной пропорции можно получить любой серый цвет.

В природе существует множество ахроматических цветов, но глаз человека способен различать лишь около трехсот ахроматических цветов от белого до черного.

К хроматическим цветам относятся все наблюдаемые нами цвета, кроме черного, белого и серых. Любой цвет может быть определен тремя характеристиками: цветовым тоном λ, чистотой (насыщенностью) Р и яркостью L (светлотой).

Под цветовым тоном понимается то качество цвета, которым он отличается от ахроматического; цветовой тон характеризуется доминирующей длиной волны. Ахроматические цвета цветового тона не имеют. Под чистотой (насыщенностью) понимают степень разбавления данного цвета белым. Чем меньше белого примешано к основному тону, тем больше его чистота. Иначе говоря, чистотой цвета называется отношение яркости L _λ монохроматической составляющей к полной яркости ее смеси с белым светом, т.е. [23]:

(23)

где L _б – яркость белой составляющей смеси.

Например, если мы прибавили к 30 единицам светового потока спектрального цвета, с цветовым тоном 580 нм, 70 единиц светового потока белого цвета, то получим чистоту цвета, равную Р = 0,3 = 30%.

Чистота цвета спектральных цветов равна 100% (или 1), т.к. они не имеют примеси белого цвета.

Все ахроматические цвета имеют чистоту цвета, равную нулю.

Цветовой тон λ и чистота (насыщенность) цвета Р совместно определяют цветность цвета.

Но и цветность, являясь качественной характеристикой, не характеризует цвет полностью. Для оценки цвета, кроме цветности, необходимо указать и его яркость, которая является количественной характеристикой цвета.

Цветовой тон λ, чистота (насыщенность) цвета Р и яркость L могут одновременно охарактеризовать цвет. Можно сказать, что два цвета равны, если они имеют одинаковые цветность и яркость.

Система L, λ, Р неприменима для пурпурных цветов, т.к. они не являются спектральными. Эти цвета (малиновый, сиреневый, вишневый) не могут быть получены путем добавления какого-либо монохроматического излучения к белому. Поэтому для пурпурного цвета цветовой тон характеризуют не длиной волны λ, а длиной λ′ монохроматического излучения, которое является дополнительным к данному пурпурному цвету. Чистота цвета чистых пурпурных цветов считается равной единице.

Итак, для спектральных (монохроматических) и пурпурных цветов L _б = 0 и Р = 1. Для белого цвета L _λ = 0 и Р = 0, а для остальных промежуточных цветов 0 < Р < 1.

Дополнительными называются два цвета, которые образуют при смешении ахроматический цвет. В природе существует множество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных. Дополнительными к монохроматическим зеленым (570 – 490 нм) излучениям условно приняты пурпурные цвета. Ориентировочно участки дополнительных цветов следующие: красный – голубой, оранжевый – голубой, желтый – синий или голубой, желто-зеленый – пурпурный, зеленый – пурпурный, голубой – красный или пурпурный, фиолетовый – желто-зеленый.

Итак, цвет зависит от спектрального состава излучения. Но один и тот же цвет может быть образован излучениями разного спектрального состава, т.е. каждому цвету может соответствовать бесчисленное множество кривых спектрального распределения лучистой энергии.

Ахроматические цвета при смешении образуют только ахроматические цвета. Спектральные же цвета при смешении обычно не образуют спектральных цветов, так как чистота смеси, как правило, меньше 1. Исключение составляют цвета на участке 575 – 700 нм, которые при смешении дают спектральные цвета с чистотой цвета Р = 1.

Рассмотренная система цветовых параметров L, λ, Р наглядна для получения представления о цвете излучения, но весьма неудобна для выполнения цветовых расчетов. Все существующие цвета могут быть получены в результате смешения трех линейных независимых цветов. Для проведения цветовых расчетов применяются две колориметрических системы: RGB и XYZ. Рассмотрение их выходит за рамки данного учебного пособия, для знакомства с ними можно обратится к [2, 23, 25].

Рассмотрим далее более подробно, как осуществляется восприятие цвета глазом человека.

Каждая палочка или колбочка сетчатки глаза содержит пигмент, поглощающий излучение в каком-то участке спектра лучше, чем в других. Поэтому, если бы можно было собрать достаточное количество такого пигмента и посмотреть на него, он выглядел бы окрашенным. Согласно современным представлениям [20], зрительный пигмент обладает особым свойством: при поглощении им светового фотона он изменяет свою молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь химических реакций, которые в конце концов приводят к появлению электрического сигнала. Пигментная молекула в своей новой форме, как правило, обладает совсем иными светопоглощаюшими свойствами, и если, как это обычно бывает, она поглощает свет хуже, чем в исходной форме, то говорят, что она «выцветает» под действием света. Затем сложный химический механизм глаза восстанавливает первоначальную конфигурацию пигмента.

Сетчатка содержит своего рода мозаику из рецепторов четырех типов: палочек и трех типов колбочек. Каждый тип рецепторов содержит свой особый пигмент. Разные пигменты отличаются друг от друга в химическом отношении, а в связи с этим и способностью поглощать свет с различной длиной волны. Палочки ответственны за способность человека видеть при слабых освещенностях без восприятия цвета объектов. Палочковый пигмент родопсин обладает наибольшей чувствительностью в области – около 510 нм, в зеленой части спектра (сравните с кривой спектральной чувствительности глаза при скотопическом зрении) (см. рис.21). Кстати, палочковый пигмент родопсин, имея максимум поглощения в зеленой области, отражает синие и красные лучи и поэтому сам выглядит пурпурным. Поскольку в сетчатках он присутствует в количествах, достаточных для того, чтобы химически смогли его выделить и на него можно было посмотреть, он получил название зрительного пурпура.

Восприятие цвета осуществляется колбочковым аппаратом сетчатки. Пигменты колбочек трех типов имеют максимумы поглощения в области 560, 530 и 430 нм; поэтому разные колбочки условно называют «красными» (R, red, rot), «зелеными» (G, green, drun) и «голубыми» (В, blue, blau). Кривые спектральной чувствительности трех типов колбочек представлены на рис.31.

Рис. 31 – Кривые спектральной чувствительности трех типов колбочек

Каждый тип колбочек имеет широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием, особенно для красных и зеленых колбочек. Отметим, что свет с длиной волны, например, 600 нм вызывает наибольшую реакцию красных колбочек, пик чувствительности которых расположен при 560 нм, он же вызывает также некоторую, хотя и более слабую, реакцию колбочек двух других типов. Таким образом, «красная» колбочка, реагирует не только на длинноволновый свет, она лишь реагирует на него лучше других колбочек. Сказанное относится и к колбочкам других типов.

Трехсотлетняя история развития представлений о цветовом зрении основана на исследованиях, начатых И.Ньютоном (1643 – 1727) в 1704 году и продолжающихся до сих пор. Изобретательность, которую проявил Ньютон в своих экспериментах, трудно переоценить: в работе, посвященной цвету, он при помощи призмы расщепляя белый свет, воссоединял его компоненты второй призмой, вновь получая белый свет; изготовил волчок с цветовыми секторами, при вращении которого опять-таки получался белый цвет. Эти открытия привели к осознанию того, что солнечный свет состоит из непрерывного ряда лучей с различными длинами волн.

В XVIII столетии постепенно выяснялось, что всякий цвет можно получить путем смешения трех цветовых компонентов в надлежащих пропорциях при условии, что длины их волн достаточно отличаются друг от друга. В этом заключается трихроматичность цвета. М.В.Ломоносов в 1756 г. высказал мысль о наличии в глазу светочувствительных аппаратов трех видов.

В 1802 г. Томас Юнг* выдвинул четкую и простую теорию, объясняющую трихроматичность: он предположил, что в каждой точке сетчатки должны существовать по меньшей мере три «частицы» – крошечные структуры, чувствительные соответственно к красному, зеленому и фиолетовому цвету. Решающие эксперименты, прямо и недвусмысленно подтверждающие, наконец, идею Юнга, были проведены лишь в шестидесятые годы XX столетия, когда под микроскопом была изучена способность отдельных колбочек поглощать свет с различной длиной волны и были обнаружены три и только три типа колбочек.

Герман Гельмгольц** принял и отстаивал теорию Юнга, которая приобрела известность как теория Юнга-Гельмгольца. Именно Гельмгольц объяснил, наконец, феномен, долгое время являвшийся камнем преткновения трехцветной теории зрения и заключающийся в том, что смесь желтой и синей красок дает зеленую, а смешение желтого и синего света дает белый свет. Но даже ему не удалось объяснить коричневый цвет.

Параллельно теории цвета Юнга-Гельмгольца возникла, и до недавнего времени казалось с ней несовместимой, вторая научная школа. Немецкий физиолог Эвальд Геринг (1834 – 1918) предположил, что в глазу и/или в мозгу существуют три оппонентных процесса: один для ощущения красного и зеленого, другой для желтого и синего и третий, качественно отличный от двух первых, – для черного и белого. Геринга поразило отсутствие цветов, которые можно было описать как желтоватосиний или красновато-зеленый, а также «взаимное уничтожение» синего и желтого или красного и зеленого при их смешении в надлежащих пропорциях – цвет при этом полностью исчезает, т.е. возникает ощущение белого цвета. По Герингу желтый, синий, красный и зеленый могут считаться основными цветами. Третий оппонентный процесс по Герингу регистрирует соотношение черного и белого. Ощущение черного и серого порождается не просто отсутствием света, поступающего от некоторого объекта или поверхности, а возникает тогда и только тогда, когда от объекта приходит меньше света, чем в среднем от окружающего фона. Ощущение белого возникает только в том случае, если фон темнее и отсутствует цвет. По теории Геринга черно-белый процесс предполагает пространственное сравнение или вычитание отражающих способностей, в то время как желто-синий и красно-зеленый процессы происходят в одном определенном участке поля зрения и не связаны с окружением.

Теория Геринга позволила объяснить не только все спектральные цвета и уровни насыщенности (чистоты), но и такие цвета как коричневый и оливково-зеленый, которые отсутствуют в спектре и не могут быть воспроизведены путем смешения любых цветов. Коричневый цвет получается лишь в том случае если желтое или оранжевое световое пятно будет окружено в среднем более ярким светом [20]. Коричневый цвет можно считать смесью черного, получаемого в условиях пространственного контраста, с оранжевым или желтым. По теории Геринга при этом работают по меньшей мере две системы – черно-белая и желто-синяя.

Теорию Геринга о трех оппонентных системах – красно-зеленой, желто-синей и черно-белой – в его время и еще полстолетия ученые рассматривали как альтернативную по отношению к трехкомпонентной («красный, зеленый, синий») теории Юнга-Гельмгольца. Современные исследования в области нейрофизиологии зрительного восприятия привели к осознанию того, что теории, на протяжении десятилетий называвшиеся несовместимыми, обе оказались верны: теория Юнга-Гельмгольца справедлива для рецепторного уровня, а теория Геринга об оппонентных процессах – для последующих уровней зрительной системы.

Детально эта проблема изложена в замечательной книге лауреата Нобелевской премии за работы в области нейрофизиологии зрения Д.Хьюбела [20].

Цветовые аномалии [2]. Существует категория людей, у которых один или два из трех типов колбочек обладают патологически малой чувствительностью, поэтому и воспринимаемые этими людьми цвета ощущаются ими иначе, чем в норме. Таких людей называют цветоаномалами. В пределе один из приемников может совсем не работать. Человек, воспринимающий цвета только двумя приемниками, называется дихроматом. В зависимости от того, какой приемник не работает, дихроматы делятся на три группы: те кто не воспринимает красного цвета, протанопы, те, кто не воспринимает зеленого, – дейтеранопы и те, кто не воспринимает синего, – тританопы (тританопия встречается очень редко).

Наконец, есть люди у которых восприятие цвета полностью отсутствует. Их называют монохроматами. Монохроматы воспринимают мир как черно-белую фотографию. По-видимому, у монохромата колбочки совсем не работают. Сохраняется только работа палочек. Аномалии в цветовом зрении встречаются сравнительно часто: ими страдают 8% мужчин и 0,5% женщин.

В ряде профессий, требующих принятия решения на основе цветового восприятия, важным является отсутствие нарушений цветового зрения. В этих профессиях большое значение имеет экспертиза состояния цветового зрения. Для выявления нарушений цветовосприятия пользуются аномалоскопом, полихроматическими таблицами, например Рабкина, Юстовой, Алексеевой, а также тестами Хольмгрена, картами Нагеля, Стиллинга, Исихара, АО Х-Р-Р – тестом и другими [25]. Для исследования цветового зрения в длительном космическом полете разработана специальная тестовая таблица из 30-ти цветных красок 10-ти цветовых тонов с тремя градациями насыщенности и яркости для каждого цвета [24]. Космонавт должен с помощью атласа цвета или визуального колориметра определить цвет каждого контрольного поля тестовой таблицы. Атлас цвета АЦ-1000, разработанный в институте метрологии им. Д.И.Менделеева, содержит 1000 эталонных образцов на 37 картах (страницах). На каждой странице атласа представлен цветовой тон с образцами красок различной насыщенности и яркости. Точность измерения по цветовому тону с помощью атласа составляет 4 – 5 нм, что близко к пороговому значению цветоразличения. Кроме атласа цвета разработана целая серия дистанционных колориметров. Так, основой портативного визуального колориметра «Цвет-1» является специальная съемная кассета с эталонными образцами цвета, которые вводятся в поле зрения визира серийного фотоаппарата. Наблюдая через визир природный объект, оператор с помощью трех рукояток подбирает к видимому в окуляр цвету объекта соответствующий эталон с идентичным цветовым тоном, насыщенностью и яркостью. Итак, способность различать цвета характеризуется цветовыми порогами или величиной им обратной – цветовой чувствительностью.

Пороги цветоощущения [2]. При решении ряда задач возникает необходимость не только заметить источник света, но и опознать его цвет. Это возможно лишь в том случае, если блеск источника выше порога цветовосприятия, т.е. хроматического порогового блеска Е _с. Зависимость Е _с = f (λ) при наблюдении на темном фоне приведена на рис.32. Из рисунка видно, что кривая имеет два максимума в синей и желто-зеленой областях.

Рис. 32 – Зависимость хроматического порога от длины волны при наблюдении на темном фоне

Хроматический порог, так же как и ахроматический, зависит от яркости фона. Зависимость Е _с = f (L) представлена на рис.33. При любых яркостях фона величина хроматических порогов выше, чем ахроматических.

Рис. 33 – Зависимость хроматических порогов от яркости фона: 1 – желтый №2 (λ = 565 нм); 2 – зеленый (λ = 520 нм); 3 – желтый №1 (λ = 590 нм); 4 – синий (λ = 410 нм); 5 – красный (λ = 610нм); 6 – ахроматический

Пороги цветоразличения [2]. Поскольку цвет – величина трехмерная, то и различия в цвете могут быть трех родов: по яркости L, по цветовому тону λ и по чистоте (насыщенности) цвета Р. Различие по яркости нами уже рассмотрено: оно определяется контрастом К, а пороговое различие по яркости – пороговым контрастом К _п. Пороговые различия по цветовому тону назовем Δ_пλ, а по чистоте – Δ_п Р.

Чувствительность глаза к различению цветового тона неодинакова в различных областях спектра (табл.8). В таблице указаны границы спектральных участков, интервал каждого участка Δλ, значение порогов Δ_пλ в данном интервале, число порогов n _Δ в каждом интервале и число порогов n от крайней границы спектра до данного интервала. Значение n, равное 129,6, показывает, что во всем интервале видимого спектра мы можем различать около ста тридцати градаций цветового тона. Итак, можно принять n =130 [2]. На рис. 34 показана зависимость порогов цветоразличения Δ_пλ глаза от длины волны излучения [3].

Таблица 8 – Зависимость числа порогов цветоразличения от спектрального диапазона длин волн

Рис. 34 – Зависимость порогов цветоразличения от длины волны излучения

Чувствительность глаза к изменению чистоты цвета обычно характеризуют не порогом Δ Р, а числом n _р, показывающим: сколько цветов от чисто белого до спектрально чистого способен глаз различать при данном цветовом тоне λ. График зависимости n _р от λ приведен на рис.35. Как видно из графика, для разных длин волн значение n _р весьма различно Среднее значение n _р≈ 15.

Рис. 35 – Зависимость числа ступеней чистоты n _p от длины волны λ

С пороговым контрастом К _п связано число градаций m от яркости L или светлоты S [2]:

(24)

Но значение К _п зависит от углового размера ω объекта и от яркости фона L. Положив в формуле (9) L = 100 кд/м², ω = 10′, получим К _п = 0,032 и далее по формуле (24) определим m ≈ 100.

Общее число различимых цветов М можно получить, перемножив n, n _р и m: М ≈ 200 000. По мнению [2], это значение явно преувеличено, так как пороги по λ, Р и L связаны друг с другом. Так, чем меньше яркость (светлота), тем выше становится порог Δ_пλ, т.е. тем меньше различий по цветовому тону способны мы уловить. Повидимому, реальное значение М нужно сократить раз в 10 и истинное число различаемых цветов будет примерно 20 000. В тоже время, по мнению Д.Джадда, крупнейшего специалиста в области колориметрии, нормальный человеческий глаз в оптимальных условиях наблюдения может различить более 10 млн. цветов, а с коммерческой точки зрения различимыми можно считать примерно полмиллиона цветов [25, с. 433].

Напомним, что хорошо различаются цвета только частью сетчатки, где преобладают колбочки. Для колбочкового зрения требуются и достаточные яркости: 20 кд/м² и выше. Уменьшение углового размера тестового поля тоже приводит к повышению порогов, значительное уменьшение поля может приводить и к искажению цветовых восприятий. В колориметрии принято проводить измерения на поле не менее 2°.

* ЮнгТомас (1773 – 1829) – англ. ученый, один из основоположников волновой теории света. Сформулировал принцип интерференции, высказал идею о когерентности световых волн. Объяснил аккомодацию глаза, разработал теорию цветового зрения. Ввел модуль упругости. Труды по акустике, астрономии, расшифровке египетских иероглифов.

** Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (1821 – 1894) – нем. ученый, член-корр. Петербургской академии наук, автор фундаментальных трудов по физике, биофизике, физиологии, психологии. Впервые математически обосновал закон сохранения энергии, разработал термодинамическую теорию химических процессов. Автор основополагающих трудов по физиологии слуха и зрения.