Свет и физические основы цветовосприятия.

Понятия света и цвета в КГ являются основополагающими. Известно, что свет имеет дуальную природу и его можно рассматривать либо как поток частиц различной энергии (тогда его цвет определяет энергия частиц), либо как поток электромагнитных волн (в этом случае цвет определяется длиной волны или частотой). Далее свет будет рассматриваться как поток электромагнитных волн. Электромагнитная волна характеризуется своей амплитудой А, длиной волны X или частотой колебаний, фазой и поляризацией. Видимый свет — узкий участок спектра электромагнитных волн с длиной волны Х = 400...700 нм. Амплитуда определяет энергию волны, которая пропорциональна квадрату амплитуды. Фаза и поляризация электромагнитных волн в дальнейшем учитываться не будут.

Энергия, переносимая электромагнитной волной, зависит от ее длины — увеличивается с уменьшением длины волны. По этой причине коротковолновые ультрафиолетовые лучи по своей энергии значительно превосходят длинноволновые инфракрасные лучи. Какое влияние все это оказывает на характеристики света как переносчика информации? Несколько упрощая ситуацию, можно сказать, что общее число всех световых волн в световом луче, которое эквивалентно его общей энергии, обусловливает интенсивность, или яркость, света. Пропорции, в которых представлены различные световые волны, влияют на его хроматические характеристики, поэтому доминирующие длины волн светового потока определяют его цветность. Свет как носитель информации содержит только два основных вида данных — информацию о яркости и цвете.

На практике редко приходится сталкиваться с монохроматическим светом, т. е. с электромагнитными колебаниями какой-то одной определенной длины волны (примером такого света является излучение лазера). Обычно свет представляет собой непрерывный поток волн с различными длинами волн и различными амплитудами. Такой поток можно характеризовать так называемой энергетической спектральной кривой F(λ), где само значение функции F(λ) представляет собой энергетический вклад колебаний с длиной волны λ в суммарный световой поток.

Общая мощность видимого светового потока равна интегралу от спектральной функции по всему видимому диапазону длин волн. Типичная спектральная кривая приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1.

 

Светотехнические величины

Область физической оптики, посвященная измерению энергии, переносимой световыми волнами и связанными с ней величинами, называется фотометрией. Рассмотрим основные светотехнические величины и единицы их измерения.

Световой поток (F). Световой поток через некоторую поверхность S равен суммарной энергии, переносимой световыми волнами сквозь эту поверхность. Световой поток измеряется в люменах (лм).

Сила света (I). Источник в общем случае может иметь неравномерное излучение по разным направлениям. Плотность светового потока в телесном угле выбранного направления называется силой света и определяется по формуле

I = dF/dω,

где F -— световой поток, проходящий через площадку dS; ω — телесный угол.

Единица силы света называется канделлой (кд). Если в телесном угле, равном одному стерадиану (ср), проходит, равномерно распределяясь, световой поток в 1 лм, то сила света в этом направлении равна одной канделле: 1 кд = 1 лм/1ср.

Освещенность (E). Плотность светового потока по поверхности S, на которую он падает, называется освещенностью. Освещенность можно рассчитать по следующей формуле:

Е = F/S.

Единицей освещенности является люкс (лк). Освещенность в 1 лк создается световым потоком в I лм на площади в 1 м²; 1 лк = 1лм/1м². Освещенность экрана в кинотеатре составляет приблизительно 200 лк. Освещенность объекта передачи в телевизионной студии достигает 2000 лк. 

Яркость (В). Яркостью называется плотность силы света. Эту величину можно определить по формуле

В = I/S,

где I — сила света, кд; S — площадь излучения, м².

Единицей яркости является канделла на квадратный метр: 1 кд/м². Яркость экрана кинескопа на белых участках изображения составляет от 40 до 80 кд/м².

Само понятие цвета тесно связано с тем, как человек (органы его зрения) воспринимает свет; можно сказать, что оттенок цвета создается в глазу и головном мозге человека. Поскольку светоприемником в КГ являются органы зрения человека, при создании средств КГ необходимо учитывать физические и психофизиологические особенности зрения.

 

Зрительный аппарат человека

Рассмотрим, каким именно образом происходит восприятие света человеческим глазом. На рис. 1.2 показано строение глазного яблока человека. Глаз расположен в глазнице черепа. Из глазного яблока выходит глазной нерв, содержащий около 800000 волокон и соединяющий его с головным мозгом. Глазное яблоко состоит из внутреннего ядра и окружающих его трех оболочек — наружной, средней и внутренней. Наружная оболочка — белочная оболочка — представляет собой жесткую непрозрачную капсулу, переходящую спереди в прозрачную роговицу, через которую в глаз проникает свет. Под ней находится сосудистая оболочка, переходящая спереди в радужную оболочку, в центре которой расположен зрачок. Под действием мышц зрачок способен сужаться и расширяться. В сосудистой оболочке находится ресничная мышца, которая ре­гулирует кривизну хрусталика. Во внутренней оболочке глаза — сетчатке — имеются светочувствительные рецепторы — палочки и колбочки. В них энергия света преобразуется в сигнал, который передается по зрительному нерву в мозг. Колбочки сосредоточены в центре сетчатки, в желтом теле напротив зрачка. Они обеспечивают дневное зрение, воспринимая цвет, форму и детали предметов. На периферии сетчатки расположены только палочки, которые раздражаются сла­бым сумеречным светом, но не чувствительны к цвету.

Желтое пятно

Зрительный нерв

Рис. 1.2. Строение глазного яблока человека

 

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты, которые очень похожи на любые другие пигменты в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том. что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же время происходит пере излучение света. Пигмент при этом изменяется, преображенная молекула поглощает свет хуже, чем прежде, т. е. как часто говорят, «отбеливается». Изменение формы молекулы и пере излучение энергии некоторым образом инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) поступает к другим типам клеток, соединенным между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв. Волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т. е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва соединены, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Внутреннее ядро глазного яблока вместе с роговицей образует оптическую систему глаза, которая состоит из хрусталика, стекловидного тела и водянистой влаги камер глаза. Прозрачный и эластичный хрусталик расположен за зрачком и имеет форму двояковыпуклой линзы. Он вместе с роговицей и внутриглазными жидкостями преломляет входящие в глаз лучи света и фокусирует их на сетчатке.

Рефлекторный механизм, с помощью которого лучи света, исходящие от объекта, фокусируются на сетчатке, называется аккомодацией. Он выполняет две функции:

• рефлекторное изменение диаметра зрачка. При ярком свете кольцевая мускулатура радужки сокращается, а радиальная расслабляется; в результате происходит сужение зрачка и количество света, попадающего на сетчатку, уменьшается, что предотвращает ее повреждение. При слабом свете, наоборот, радиальная мускулатура сокращается, а кольцевая расслабляется. При сужении зрачка увеличивается глубина резкости и поэтому различия в расстоянии от объекта до глаза меньше сказываются на изображении;

• преломление света. От объекта, удаленного на расстояние больше 6 см, в глаз поступают практически параллельные лучи света, тогда как лучи, идущие от более близких предметов, заметно расходятся. В обоих случаях для того чтобы свет сфокусировался на сетчатке, он должен быть преломлен, и для близких предметов преломление должно быть более сильным. Глаз человека способен точно фокусировать свет от объектов, находящихся на расстоянии от 25 см до бесконечности. Форма роговицы не может изменяться, поэтому рефракция здесь зависит только от угла падения света на роговицу, который, в свою очередь, зависит от удаленности предмета. В роговице происходит наиболее сильное преломление света, а функция хрусталика состоит в окончательной «наводке на резкость». При сокращении ресничной мышцы хрусталик меняет кривизну, приспосабливаясь для восприятия дальних или ближних предметов. Преломившиеся лучи света от рассматриваемого предмета, падая на сетчатку, образуют на ней уменьшенное обратное изображение предмета. Однако мы видим предметы в прямом виде благодаря повседневной тренировке зрительного анализатора, что достигается формированием условных рефлексов, показаниями других анализаторов, их взаимодействиями, постоянной проверкой зрительных ощущений, повседневной практикой.

Двигательный аппарат каждого глаза состоит из шести мышц, сокращения которых позволяют изменять направление взгляда. У людей с нормальным зрением на сетчатке возникает четкое изображение предметов, так как оно сфокусировано на центре сетчатки.

Чувствительность глаза

Исследования показали, что многие биологические и технические системы воспринимают цветовую и яркостную информацию раздельно. Это утверждение справедливо и для зрения человека. За цветовое и яркостное восприятие глаза отвечают два различных вида нервных клеток — колбочки регистрируют цветовую компоненту светового потока, а палочки воспринимают его яркостную составляющую.

Палочки образуют однородную популяцию нервных клеток, они демонстрируют высокую чувствительность к световому потоку, но при этом способны реагировать только на суммарную энергию света. Палочки позволяют человеку распознавать предметы в условиях плохой освещенности. Они регистрируют окружающий мир как ахроматическую, лишенную цветовых нюансов среду, наполненную серыми предметами.

Чувствительность палочек к свету неоднородна, при ярком свете она мала, но при низких уровнях освещенности возрастает и обеспечивает способность человека видеть в условиях плохой видимости. Палочки содержат пигмент с максимальной чувствительностью на длине волны около 510 нм (рис. 1.3, точечная линия) в зеленой части спектра. Пигмент палочек из-за его цвета часто называется зрительным пурпуром.

Кривая общей (палочек и колбочек) спектральной чувствительности глаза для яркого освещения показана на рис. 1.3 сплошной линией. Очевидно, что результирующая чувствительность колбочек и чувствительность палочек имеет максимум на длине волны около 550 нм, что соответствует желто-зеленому свету, но при этом чувствительность палочек почти в 1000 раз выше, чем у колбочек. Таким образом, максимум чувствительности зрения человека лежит в желто- зеленой области спектра.

Рис. 1.3. Общая спектральная чувствительность глаза:

 

-----чувствительность палочек;

— суммарная чувствительность палочек и колбочек

 

Графики, показанные на рис. 1.3, подтверждают, что в условиях слабой освещенности цветное зрение практически отсутствует. Например. отклик на красный цвет (λ = 700 нм) при низких уровнях освещения (см. точечную кривую на рис. 1.3) практически равен нулю. Поэтому красный цвет ночью будет выглядеть черным.

Физиологами и оптиками давно установлен факт избирательной чувствительности зрения человека к волнам различной длины. Человек хорошо видит зеленый цвет, несколько хуже — красный, и хуже всего — синий цвет. Как объяснить этот цветовой феномен? Существует три типа колбочек, отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют синими, зелеными и красными в соответствии с наименованием цвета, для которого они имеют максимальную чувствительность. Упомянутые три пигмента имеют максимум поглощения приблизительно на 430, 530 и 560 нм.

На рис. 1.4 представлены графики функций чувствительности для всех трех типов колбочек. Точнее, этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый. Поэтому более корректным будет использование названий коротко-, средне- и длинноволновые колбочки.

400 500 600 700 X, км

Рис. 1.4. Функции чувствительности

трех типов колбочек: I — синих; 2 — зеленых; 3 — красных

 

Как видно на рис. 1.4, области чувствительности колбочек значительно перекрываются. Поэтому, как правило, в процессе цветового восприятия возбуждаются все три вида колбочек. Почему, несмотря на это, мы так хорошо различаем цвета? Это проблема пока не получила исчерпывающего решения в физиологии зрения.

Итак, эффективности поглощения световых волн существенно различаются. Особенно хорошо человек воспринимает зеленый свет, красный свет— уже несколько хуже, а синий — плохо. Это приводит к тому, что цветовые составляющие цветного изображения вносят разные вклады в ощущение яркости. Наименьший вклад в общую яркость вносит синяя составляющая.

Низкая чувствительность зрения человека к синим цветовым тонам является также причиной того, что синяя окраска фона хорошо подходит для цветных диапозитивов. Если черный шрифт напечатан на белом фоне, то шрифт и фон воспринимаются одинаково четко. Если же, например, белый шрифт напечатан на синем фоне, то значение фона как бы теряется, и в ощущении изображения доминирует шрифт или остальные элементы изображения с другой окраской.

Избирательная чувствительность зрения человека — экспериментально подтвержденный факт. Более того, исследователи в области психологии зрительного восприятия провели многочисленные тесты для получения количественных оценок вкладов отдельных цветовых составляющих. Установлено, что для большинства людей доли цветовых координат распределяются следующим образом: 59 % — зеленый, 30 % — красный и 11 % — синий цвет. Иными словами, если известны яркости зеленой, красной и синей составляющих, то суммарную яркость нельзя получить простым суммированием. Ее следует вычислять по примерной формуле:

Яркость = 0,59 х зеленый + 0,3 х красный + 0.11 х синий.

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике глаза растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации, т. е. если изображение сфокусировано для одной из длин волн, то для других длин волн изображение будет расфокусировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 560 нм. Поскольку пики чувствительности средне и длинноволновых колбочек (530 и 560 нм соответственно) близки друг к другу, изображения для этих колбочек могут быть сфокусированы одновременно. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым. Поскольку степень фокусировки разная для различных длин волн, то не требуется одинаковой разрешающей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне и 40 длинноволновых колбочек. В этой связи понятно, почему ширина полосы пропускания для холодных, коротковолновых цветов в телевидении может быть выбрана существенно меньшей без субъективно заметной потери верности воспроизведения.