htmlbook.ru - Для тех, кто делает сайты
Шаг за шагом Графика для Web
Шаг за шагом > Свет и цвет > Как мы видим цвет?

Шаг 3. Как мы видим цвет?

Джон Хеджкоу

Все люди в какой-то степени — дальтоники. Определенный цвет может быть образован смешением множества лучей светового спектра, которые человеческий глаз не способен различать, так как информация о цвете воспринимается посредством только трех сигналов относительной силы от клеток, чувствительных к красной, зеленой и синей частям спектра. Трех так называемых «основных» цветов оказывается достаточно, чтобы воспроизвести любой оттенок, — свойство, известное под названием трехцветности.

Роговица, прозрачный роговой слой, покрывающий глазное яблоко, строит вместе с хрусталиком глаза изображение внешних объектов на сетчатке — внутренней поверхности глаза. Таким образом, глаз в некоторых отношениях похож на фотоаппарат, в котором тоже есть линза (хрусталик), экран (сетчатка) для построения изображения. Хрусталик тоже позволяет наводить изображение на резкость. Однако в фотоаппарате все поступающие световые лучи собирает линза, а в глазу фокусировка производится за счет кривизны поверхности и лишь незначительную роль в этом играет хрусталик. Правда, тот факт, что хрусталик способен быстро изменять кривизну поверхности при построении резкого изображения разноудаленных объектов, придает глазу гибкость фокусировки, недоступную для фотоаппарата, в котором приходится перемещать линзу. Построить на пленке изображение, в котором близкие и далекие объекты выглядели бы одинаково резкими, чрезвычайно сложно.

Сходство глаза с фотоаппаратом кончается с момента воздействия света на сетчатку. В сетчатке имеются специальные клетки, палочки и колбочки, которые поглощают свет и преобразуют его в электрические сигналы, а те в свою очередь вызывают изменения в длинной цепи клеток, ведущих к коре, или внешней оболочке головного мозга. Сетчатка содержит несколько видов нервных клеток, которые частично анализируют информацию, полученную от палочек и колбочек, прежде чем передать ее в мозг.

Зрение человека при тусклом освещении зависит от палочек, а зрение при обычном дневном освещении и определении цветов зависит от колбочек. Обычно в глазу есть три вида колбочек, и колбочки каждого вида содержат свой особый пигмент. Каждый пигмент поглощает лучи определенной части спектра в большей степени, чем другие. Так, один пигмент поглощает больше синих лучей, другой — зеленых, третий — красных. Но колбочки каждого вида поглощают в известной мере все лучи спектра и посылают электрический сигнал. Как показано на рис. 3.1, особенно велико наложение кривых поглощения красных и зеленых лучей. Красночувствительная колбочка, скажем, может реагировать на слабый красный свет так же, как на яркие лучи, исходящие из зеленой области спектра.


Рис. 3.1. Реакции колбочек на цвет

Рис. 3.1. Реакции колбочек на цвет

Реакции колбочек трех видов позволяют нам судить о цвете светового потока. В сетчатке имеется более шести миллионов колбочек — каждая толщиной две тысячных миллиметра. Кривые поглощения пигментов колбочек каждого вида захватывают широкие участки и пересекаются друг с другом. Коротковолновые синие лучи вызывают сильную реакцию — электрический сигнал другим клеткам — в синих колбочках, но слабую или никакой реакции в колбочках двух других видов. Зеленые (cредневолновые) или красные (длинноволновые) лучи вызывают значительную реакцию в зеленых и красных колбочках, но самая сильная реакция на зеленые лучи возникает в зеленых колбочках, а на красные — в красных колбочках.

Если мозг чувствителен к цвету, ему необходим механизм, который сравнивал бы сигналы, посылаемые колбочками трех разновидностей. На пути к мозгу сигналы должны через промежуточные стадии поступить в нервные узлы — ганглии, которые обеспечивают окончательный выход из сетчатки. Колбочки при помощи сложных соединений связаны с ганглиями. Ганглий определенного вида, называемый «противоположным», может получить «возбуждающие» сигналы от колбочки одного вида — сигналы, которые, будучи однородными, заставят ганглий передать сигнал мозгу. Но ганглий может и «выключиться», если одновременно примет «запрещающие» сигналы от колбочек другого вида. Рисунки на следующей странице показывают, как противоположные ганглии обрабатывают информацию, поступающую от колбочек.

Другие ганглии называются «непротивоположными»; они принимают возбуждающие сигналы, например, и от красночувствительных, и от зеленочувствительных колбочек. Таким образом, эти клетки передают скорее не цвет, а яркость светового потока.

Палочки существуют только одного вида, и они наиболее чувствительны к сине-зеленым лучам. Вот почему в сумерки, когда действуют одни палочки, мы не в состоянии различать цвета, а объекты, которые при дневном свете выглядят синими, кажутся нам ярче объектов, которые при дневном свете выглядят красными.

Синечувствительные колбочки несут мало информации о яркости света, хотя их роль в восприятии цветности важна. Их сигналы поступают только к противоположным ганглиям. Можно поставить опыт: утомить красно- и зеленочувствительные колбочки воздействием желтого света, возбуждающего и те и другие клетки. Тогда наблюдатель станет полностью зависимым от синих колбочек и ему трудно будет определить мелкие детали или заметить мерцание раздражающего света.

При рассмотрении очень мелких деталей или при тусклом свете зрение нормального человека сходно со зрением дальтоника, у которого совершенно отсутствуют синие колбочки. Поэтому в цветных рисунках нет смысла использовать тонкие синие линии: их трудно отличить от черных.

Во многом это объясняется тем фактом, что синечувствительных колбочек почти нет в ямке — самой чувствительной во всех других отношениях области сетчатки, соответствующей зрительной оси. Мы особенно нечувствительны к мелким или бледным синим деталям, когда смотрим непосредственно на них.

Глаз регулирует входящий световой поток, меняя размер отверстия радужной оболочки. Но более важной переменной величиной является чувствительность колбочек и палочек. Свет должен преодолеть всю толщу сетчатки прежде чем дойдет до этих чувствительных клеток, которые образуют воспринимающий изображение «экран» на задней стенке глаза. Палочки начинают действовать, когда сила света, падающего на глаз, мала. При своей высокой чувствительности они все же не могут обеспечить разграничение цветов, и эта роль отводится колбочкам. Информация о силе и длинах волн световых лучей, полученная палочками и колбочками, сортируется в сетчатке, и сигналы идут через зрительные нервы по каналам, ведущим к нервным клеткам в задней части головного мозга, для окончательного анализа. Перекрест зрительных нервов передает сигналы от каждого глаза обеим долям головного мозга.

Ганглии (обозначенные буквами А, В и С) на рис. 3.2 получают сигналы от колбочек (помеченных как красно-, зелено- и синечувствительные) и посылают свои сигналы в мозг. Сигналы изображены в виде шариков, падающих по каналам. Некоторые клетки (В и С) сравнивают сигналы от колбочек двух видов и срабатывают или включаются, что показано закрытием клапана. Для ясности на рисунке каждая колбочка реагирует или не реагирует на падающий свет; на самом деле каждая колбочка может посылать сильные или слабые сигналы. Существует множество других схем соединения колбочек с ганглиями, которые влияют на информацию, поступающую в мозг.

Когда никакой свет не действует на колбочки, сигналы не поступают в ганглии, изображенные как утолщения. Когда синие лучи попадают в колбочки, синечувствительные колбочки посылают сигнал, и ганглий передает его дальше. При воздействии красных лучей сигналы поступают в клетки А и В, которые не получают запрещающего сигнала. Обе клетки передают сигналы дальше. Белый свет приводит в действие колбочки всех трех видов, но только клетка А передает информацию, воспринятую и красными и зелеными колбочками.

Рис. 3.2. Сигналы поступающие в мозг человека

Самый яркий свет, с которым может справиться глаз, в 10 миллиардов раз ярче самого тусклого света. Глаз, как и фотоаппарат, должен приспосабливать свою чувствительность к данной силе света. В глазу имеется изменяемое отверстие — зрачок, который сужается при ярком свете. Но сужением зрачка можно уменьшить количество света, поступающего глаз, всего на одну шестнадцатую. В основном же изменение чувствительности глаза достигается за счет автоматического регулирования чувствительности клеток в сетчатке.

Каждый вид колбочек управляет чувствительностью самостоятельно. Эта самостоятельность и позволяет глазу приспосабливаться к цвету окружающего освещения. Лист бумаги, который выглядит белым при дневном освещении, останется белым и когда мы привыкнем к свету лампы накаливания в комнате, хотя синих лучей в таком свете гораздо меньше. Как же удается глазу приспосабливаться к свету?

При обычном дневном свете, который содержит лучи все длин волн примерно в равной пропорции, колбочки трех видов одинаково чувствительны. Лист бумаги выглядит белым, потому что он отражает уравновешенные лучи спектра. Через некоторое время после того, как мы посидели при свете лампы накаливания, чувствительность синих колбочек по сравнению с красными и зелеными повышается, компенсируя недостаток синих лучей в таком свете. Несмотря на то, что бумага отражает теперь меньше синих лучей, чем красных или зеленых, синечувствительные колбочки посылают тот же сигнал, что и прежде.

Такая подстройка очень полезна для нас, поскольку позволяет нам видеть объекты как бы постоянными по яркости и цвету независимо от больших изменений в интенсивности и качестве освещения. Однако подстройка зрения срабатывает не мгновенно и поэтому приводит иногда к ошибке и возникновению миражей. Одним из таких миражей является дополнительное остаточное изображение. Если мы некоторое время будем смотреть на лист красной бумаги, а затем переведем взгляд на белую поверхность, то увидим сине-зеленое (голубое) пятно, которое будет следовать за нашим взглядом. В этом случае понижается чувствительность красных колбочек в результате утомления небольшой части сетчатки, раздраженной изображением бумаги. Когда мы потом смотрим на белую поверхность, эти колбочки реагируют на белый свет слабее, чем обычно, а сигналы сине- и зеленочувствительных колбочек изменяются мало. Таким образом, общая система сигналов, поступающих в мозг, напоминает сигналы, возникающие под воздействием нacтoящего голубого пятна.

Дополнительные остаточные изображения появляются после наблюдения в течение нескольких секунд за любым ярким объектом. Попробуйте смотреть в течение минуты на картинку, показанную на рис. 3.3, а затем переведите взгляд на белое поле. Упаковка пленки предстанет в знакомых фотографам цветах. Воображаемые цвета являются результатом слабой реакции временно утомленных колбочек на белый свет.

Рис. 3.3. Остаточные изображения

Рис. 3.3. Остаточные изображения

Цветовая информация поступает через несколько промежуточных стадий в кору затылочной доли головного мозга. Один из наиболее интересных вопросов, на который пытаются ответить ученые-окулисты, заключается в следующем: есть ли у людей особые нервные механизмы для анализа цвета, яркости, формы движения, расстояния и так далее? Опыты, проведенные над обезьянами, дают основание предположить, что в их мозгу есть область, в которой происходит только анализ цвета. Возможно, подобная область существует и в человеческом мозгу, и дальтонизм является в некоторых случаях следствием ее поражения.

Однако, исходя из замечательного эффекта Макколлоу, можно предположить, что цвет и форма анализируются одновременно какой-то частью зрительной системы. Если смотреть в течение нескольких минут на левый цветной узор, а затем перевести взгляд на черно-белый узор, на последнем возникают воображаемые цвета: бледно-зеленый в той части, где полосы наклонены влево, и розовый в той части, где полосы наклонены вправо.

Эффект Макколлоу значительно отличается от обычного остаточного изображения, так как в процессе адаптации к цветному узору каждая точка сетчатки подвергается раздражению красными и зелеными лучами в равной мере. Значит, можно допустить, что в человеческом мозгу существуют нервные клетки, реагирующие на полосы только определенного цвета и определенного направления. Такие клетки уже обнаружены в мозгу обезьян. Воображаемый цвет наклонной полосы зависит, возможно, от относительной активности клеток, настроенных на данное направление, но различающихся по восприятию цвета, который вызывает у них реакцию. Пока наблюдатель смотрит на цветной узор, клетки, воспринимающие, скажем, зеленые полосы, наклоненные под углом 45° вправо (и другие, воспринимающие красные полосы, наклоненные под углом 45°), утомляются. После этого часть черно-белого узора, наклоненная под углом 45° вправо, выглядит розовой, так как утомленные клетки посылают сигнал меньшей силы. Но существуют и другие предположительные объяснения необычного эффекта Макколлоу.

Эффект Макколлоу показывает, что на каком-то этапе обработки мозгом зрительных сигналов существует связь между формой и цветом. Попробуйте в течение одной минуты внимательно рассматривать узор на рис. 3.4. Не поддавайтесь искушению наклонить голову. Потом посмотрите на черно-белый узор. Вам покажется, что во втором случае полосы, наклоненные влево, имеют бледную зелено-голубую окраску, дополнительную к цвету наклоненных влево полос в первом узоре. А полосы, наклоненные вправо, примут розовый оттенок, дополнительный к зеленому цвету соответствующих полос в первом узоре. Цвета «привязаны» к полосам и не следуют за взглядом. Более того, если повернуть черно белый узор на 90°, то полосы в данной части узора изменят воображаемую окраску в соответствии с изменением наклона. Это показывает, что в настоящем случае имеет значение не положение полос, а центровка их по осям. Эффект может продолжаться несколько дней, если не часто смотреть на черно-белый узор.

Рис. 3.4. Эффект Макколоу

Рис. 3.4. Эффект Макколоу

Дальтонизм в полной форме, то есть полное отсутствие способности различать цвета, встречается редко, а вот частичные недостатки цветного зрения — явление довольно заурядное. Около восьми процентов мужчин страдают наследственным дефектом цветного зрения; у женщин этот показатель ниже — примерно 0,4%. У некоторых людей («дихроматов»), очевидно, отсутствуют красно- или зеленочувствительные колбочки. В результате они могут спутать, скажем, красный цвет с зеленым или желтый с зеленым, а любой другой цвет, который им встречается, воссоздают при соответствующем смешении всего двух основных цветов (вместо трех, как обычно). У других людей («аномальных трихроматов») есть, очевидно, колбочки всех трех видов, но предельная чувствительность одного вида колбочек представляет собой нечто среднее между нормальной предельной чувствительностью красных и нормальной предельной чувствительностью зеленых колбочек. Как и всем людям, для воссоздания цвета им необходимы лучи трех длин волн. Воссоздаваемые ими цвета необычны, но их никак нельзя назвать менее верными, чем те, которые видят большинство людей.

Дальтонизм определяется при помощи вот таких картинок из разноцветных кружков (рис. 3.5). Фигуру на большой картинке увидят все, но большинство людей с недостатком цветного зрения не смогут разглядеть на ней купальник или шляпу. На нижней правой картинке невосприимчивые к красному цвету увидят только лопату, а невосприимчивые к зеленому — только вилы. Люди с нормальным зрением увидят оба предмета. На правой верхней картинке те, кто не воспринимает зеленый цвет или путает красный с зеленым, увидят трость, а остальные — зонт. Цвета переданы здесь не так точно, как на настоящих контрольных картинках.

Рис. 3.5. Картинки для проверки дальтонизма

Рис. 3.5. Картинки для проверки дальтонизма

По материалам книги: Джон Хеджкоу. Искусство цветной фотографии. Издательство «Планета», 1988

Статья опубликована: 14.08.2005 Последнее обновление: 04.08.2008
Свет и цвет

Copyright Влад Мержевич, по всем вопросам пишите по адресу: vlad@htmlbook.ru