Глава 14 ЦВЕТ И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ. 14.1. Основы восприятия цвета

Глава 14 ЦВЕТ И ЕГО ИЗМЕРЕНИЕ

14. 1. Основы восприятия цвета

Что такое цвет, каковы основы его физиологического зрительного воспри­ятия, каким образом измеряется цвет и т. д.? Ответы на эти вопросы будут даны в этой главе. Сведения, представленные здесь, а также иллюстративный материал в основном опираются на материалы ставшей уже классической книги выдающихся специалистов в области цветоведения и колориметрии Дина Джадда и Гюнтера Вышецки «Цвет в науке и технике», выдержавшей за рубежом три издания. Русский перевод этой монографии был опубликован в 1978 году [66] и стал уже библиографической редкостью. Часть данных основана на публикациях Международной комиссии по освещению (МКО), а также на материалах Международной ассоциации по пробле­мам цвета (AIC-Association Internationale de Couleur), организованной в Вашингтоне еще в 1967 году и объединяющей ученых-колористов более 30 стран. Россия в эту организацию, к сожалению, не входит.

Определение цвета с точки зрения его физиологического восприятия мо­жет быть сформулировано следующим образом.

Цвет — характеристика объектов внешнего мира, которая фор­мируется действием на органы зрения человека световых излуче­ний, длины волн которых находятся в диапазоне 380—780 наномет­ров (нм). Эта характеристика позволяет различать объекты, име­ющие одинаковые размеры и форму, но различный спектральный состав собственного или отраженного излучения.

Отметим, что зрительные ощущения различаются как количественно, так и качественно. Количественная характеристика называется светлотой, ка­чественная — цветностью. С изменением мощности излучения изменяется светлота, а с изменением длины волны излучения — цветность. Представление о них можно получить, поместив одну и ту же окрашенную поверхность на солнечный свет и частично в тень. Обе части будут иметь (отвлекаясь от раз­личия спектрального состава прямого солнечного и рассеянного излучений) одну и ту же цветность, но различную светлоту.

В 1920 году известный физик Е. Шредингер предложил следующее опре­деление цвета, согласно которому цвет — это свойство спектральных составов излучений, не различаемых человеком визуально.

Аналогичное определение цвета (в колориметрии) приведено в действу­ющем в настоящее время ГОСТ 13088-67. Колориметрия. Термины, буквенные обозначения. Согласно этому ГОСТ «цвет есть аффинная векторная величина трех измерений, выражающая свойство, об­щее всем спектральным составам излучения, визуально неразличи­мым в колориметрических условиях наблюдения». Под колориметри­ческими условиями наблюдения в ГОСТ 13088-67 понимают «физические условия визуального сравнения, в которых любые одинаковые по спектральному составу излучения неразличимы глазом». Свойство аффинности (от латинского affinis — родственный) означает, что свойства векторной величины сохраняются при преобразованиях, удовлетворяющих уравнениям следующего вида:

где x и у — декартовы координаты некоторой точки на плоскости, х₁ и у₂ — новые координаты точки, полученные в результате аффинного преобразова­ния.

Приведенные здесь преобразование — двумерное. Аналогично записыва­ются трехмерные и преобразования более высоких порядков. Всегда детерми­нант преобразования должен быть ненулевым.

Требования аффинности и трехмерности связаны с физиологическими особенностями зрения человека. Цветовые рецепторы (колбочки) подразделя­ются на три сорта, каждый из которых имеет максимум чувствительности в своей области спектра. Кроме того, любой цвет можно представить как ком­бинацию трех основных цветов, поэтому пространство минимальной цветовой размерности — трехмерное.

По мере развития научных знаний и в связи с большой ролью цвета в жизни человека возникла наука о цвете — цветоведение. Она включает следующие разделы:

· физика цвета (спектры испускания и отражения, аппаратура и т. п. );

· действие излучения на глаз человека, т. е. физиология зрения;

· психологическое восприятие цвета;

· метрология цвета или колориметрия, изучающая методы измере­ния цвета, способы численного выражения цветов, основы их классификации и т. п.

Закономерности, найденные физикой, физиологией, психологией и метро­логией цвета, находят свое применение в технике получения цветных изобра­жений в полиграфической и текстильной промышленности, телевидении и т. д. Следует отметить, что первые попытки описать цвет не только с эмоцио­нальной и эстетической, но и с научной точки зрения были предприняты еще в начале XVIII века английским физиком, математиком, механиком и астро­номом Исааком Ньютоном. Изучая законы преломления света, он пропустил пучок белого солнечного света через трехгранную стеклянную призму. Затем спроецировал его на экран и получил непрерывный спектр излучения, в ко­тором четко были видны семь основных цветов, плавно переходящие один в другой. Длины волн излучений, полученных разложением белого света, для разных цветов имеют следующие значения (в нанометрах, нм):

380-450                    фиолетовый,

450-480                    синий,

480-500                    голубой,

500-560                    зеленый,

560-590                    желтый,

590-620                    оранжевый,

620-780                    красный.

Ньютон подвергал эти излучения различным преобразованиям: прелом­лению, отражению от различных окрашенных поверхностей. Но все излучения не меняли своего первоначального цвета. Эти цвета однородных или монохромных излучений называются спектральными цветами. Затем он поставил на пути вышедших из призмы лучей вторую такую же призму, снова собрал их в пучок, который вновь приобрел белый цвет.

Эти опыты позволили установить, что белый цвет представляет собой смесь спектральных цветов, воспринимаемых глазом как излучения разной окраски. Природные излучения в своем большинстве имеют сложный спек­тральный состав, но все их многообразие — это всевозможные комбинации монохромных излучений. Дальнейшие исследования показали, что белый цвет (и любой другой) можно получить при помощи всего трех монохромных излучений: красного, зеленого и синего. Надо только смешать их в опреде­ленной пропорции. Именно на этой основе, к примеру, построены все системы синтеза цветов в современных телевизорах.

Эксперименты показали, что непрерывному изменению длины волны со­ответствует непрерывное изменение цвета. Поэтому деление видимой области спектра от 380 до 780 нм на семь частей, конечно, условно и сложилось исторически.

В XVIII-XIX веках многие научные положения будущей колориметрии бы­ли сформулированы М. В. Ломоносовым, Т. Юнгом, Г. Грассманом, Д. Макс­веллом, а затем в XX веке Е. Шредингером, Д. Джаддом, Г. Вышецки, А. Ке-нигом и др. Среди российских ученых второй половины XX века, внесших значительный вклад в развитие колориметрии, как науки, необходимо выде­лить работы М. М. Гуревича, Н. Д. Нюберга, Д. А. Шкловера, И. О. Федорова, СО. Майзеля, Л. И. Демкиной, Е. Н. Юстовой, Г. Н. Раутиана, Н. И. Сперан­ской и др.

Таким образом, зная спектральный состав света, воспринимаемого глазом, можно определить цвет предмета. Но обратный процесс с той же легкостью не всегда получается — он неоднозначен. Заранее зная цвет, можно предложить несколько вариантов его спектрального состава. Например, излучение в ин­тервале 560-590 нм — несомненно желтый цвет. Но этот же цвет может быть получен смешением в определенной пропорции двух монохромных цветов: зеленого (546 нм) и красного (700 нм). Если спектральный состав двух цветов одинаков, они называются изомерными. Если излучения одного цвета имеют разный спектральный состав, то такие цвета называются метамерными.

Для специалиста, занимающегося вопросами воспроизведения цветного изображения, совершенно не важен спектральный состав света, отображаемо­го образцом. Для него существенно, чтобы копия была действительно красной, а, к примеру, не оранжевой или бордовой.

Теория цветового зрения помогает нам понять, почему участок спектра в пределах 380-780 нм оказывает световое действие и почему мы видим из­лучения в диапазоне 400-450 нм фиолетовыми, а в диапазоне 450-480 нм — синими и т. п. Сущность теории цветового зрения состоит в том, что свето­чувствительные нервные окончания, находящиеся в одной из оболочек глаза и называемые фоторецепторами, реагируют только на излучения видимой части спектра [66].

Глаз содержит три группы рецепторов, из которых одна наиболее чувстви­тельна к интервалу длин волн 400-500 нм (синий цвет), другая к интервалу 500-600 нм (зеленый цвет), а третья — к интервалу 600-700 нм (красный цвет). Рецепторы реагируют на излучения в соответствии с их спектральной чувствительностью, а ощущения цветов в мозгу человека возникают в результате комбинации трех реакций каждой из групп рецепторов, вызывая, соответ­ственно, ощущения синего, зеленого или красного цветов. Эти элементарные ощущения называются основными.

Таким образом, ощущения цветов в мозгу человека складываются в еди­ное целое, зависящее от соотношения основных ощущений. Например, при преобладании реакций рецепторов, ответственных за возникновение синих сигналов, появляется ощущение синего цвета. Если одновременно преоблада­ют реакции зеленых и красных рецепторов, то возникает ощущение желтого цвета. Так как соотношение интенсивностей основных сигналов определяется спектральным составом излучения и формами спектральных характеристик чувствительности рецепторов, которые частично перекрываются, то излуче­ния различных спектральных составов могут дать одинаковые соотношения интенсивностей сигналов и, следовательно, вызывать ощущения одинаковых цветов.

Зрительный аппарат человека состоит их трех отделов: периферическо­го (собственно глаза), проводникового (зрительного нерва) и центрального (зрительная зона коры головного мозга в затылочной области). Обращаясь к известной схеме строения глаза, вспомним, что светочувствительный слой глаза, называемый сетчаткой (сетчатой оболочкой или ретиной), выстилает внутреннюю поверхность глазного яблока. В сетчатке находятся нервные окончания (рецепторы), в которых происходит начальное преобразование лучистой энергии, приводящее, в конце концов, к возникновению светового ощущения.

В сетчатке находится три слоя нервных клеток — нейронов. Нейроны, наиболее удаленные от внутренней поверхности сетчатки, оканчиваются ре­цепторами, которые бывают двух видов: длинные и тонкие называются па­лочками, толстые и короткие — колбочками. Палочки обеспечивают черно-белое зрение, колбочки — как черно-белое, так и цветное зрение. Наиболее важная с точки зрения цветовосприятия область сетчатки — это так назы­ваемое желтое пятно, расположенное в ее центральной части. Оно окрашено желтым пигментом, предохраняющим рецепторы этой области от чрезмерного возбуждения коротковолновым излучением. Средняя часть желтого пятна углублена и называется центральной ямкой. В ее середине находится об­ласть, содержащая только колбочки. Она имеет угловой размер около 2°, что соответствует площади менее 1 мм2. Здесь находится около 50 тысяч колбочек, высокая поверхностная концентрация которых обеспечивает боль­шую разрешающую способность и цветовую чувствительность этого участка сетчатки.

С удалением от средней части центральной ямки растет концентрация палочек и уменьшается количество колбочек, приходящихся на единицу пло­щади сетчатки. Кроме того, световая чувствительность палочек и колбочек очень различна. Палочки работают при низкой освещенности и выключают­ся при высокой. Эти рецепторы обеспечивают так называемое сумеречное (или ночное) зрение, когда освещенность невелика. Колбочковое зрение называется дневным зрением. При высокой освещенности, когда начинают действовать колбочки, глаз различает цвета и мелкие детали объектов.

Еще со времен М. В. Ломоносова предполагалось, а в середине XX века экспериментально подтверждено, что колбочки неодинаковы по своим спектральным свойствам. Это позволило разделить их на три группы. При воз­буждении рецепторов первой группы возникает ощущение сине-фиолетового цвета. Рецепторы этой группы называются синечувствительными. Рецепторы второй группы ответственны за ощущение зеленого цвета. Третья группа обеспечивает ощущение красного. Реальные излучения раздражают колбочки сразу нескольких групп, обеспечивая полноценное цветное зрение.

Глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к излучению с длиной волны 555 нм, а относительно максимальной чувствительности опре­деляются все другие значения этой величины. Этой длине волны соответству­ет максимум спектральной чувствительности именно колбочкового (дневно­го) зрения. Аналогичная кривая палочкового (сумеречного) зрения сдвинута в область более коротких длин волн [66] (рис. 14. 1). Этот эффект называется эффектом Пуркине в честь открывшего его в 1823 году чешского ученого Яна Пуркине.

Рис. 14. 1. Кривые относительной спектральной чувствительности (световая эффектив­ность) палочек и колбочек глаза человека

 

Палочковое (сумеречное или ночное) зрение характеризуется на рис. 14. 1 кривой, показанной пунктиром. Эта кривая называется функцией ночной световой эффективности и обозначается символом . Палочки не создают ощущения, например, красного, синего или какого-либо другого цвета. Они обеспечивают нейтральное в цветовом отношении восприятие в виде белого, серого или черного цветов.

Колбочковое (дневное) зрение на рис. 14. 1 характеризуется сплошной кри­вой, называемой функцией дневной световой эффективности, и обозначается символом . Колбочковое зрение, как уже отмечалось выше, обеспечивает не только нейтральное, но и цветовое видение, благодаря которому мы можем видеть, например, красные, синие, желтые и вообще все цвета. Отметим, что рис. 14. 1 характеризует колбочковое восприятие в отношении только ней­тральных свето-теневых цветов.

Характер цветового ощущения находится в связи с распределением чув­ствительности рецепторов глаза по спектру. Спектральные характеристики рецепторов изучались многими исследователями, начиная с Д. Максвелла и А. Кенига. В настоящее время наиболее надежными считаются характе­ристики спектральной чувствительности глаза, определенные Ε. Η. Юстовой в 1950 году [67].

 

 

На рис. 14. 2 представлены полученные Ε. Η. Юстовой кривые основных возбуждений (или физиологические кривые сложения), т. е. графики спек­тральной чувствительности колбочковых цветочувствительных рецепторов глаза для углов зрения, равных 2°.

 

Рис. 14. 2. Кривые основных возбуждений (физиологические кривые сложения), соответ­ствующие спектральной чувствительности цветочувствительных рецепторов глаза человека для углов зрения, равных 2°. На рисунке приняты обозначения цветов по первым буквам их названий: Φ — фиолетовый, С — синий, 3 — зеленый, К — красный и т. д

 

Рисунок показывает, что излучения начала видимой части спектра от 380 нм до 430 нм действуют только на синечувствительные колбочки (Rc)· Чувствительность остальных рецепторов в этой части спектра крайне мала. Их реакция приводит к ощущению фиолетового цвета (Ф). Чувствительность синечувствительных колбочек и, следовательно, интенсивность ощущения в диапазоне 380-430 нм возрастает по мере увеличения длины волны. После 430 нм на излучение реагируют уже зеленочувствительные рецепторы (Rз)· Поэтому цвет постепенно переходит в синий. Затем начинают работать и крас-ночувствительные рецепторы (Rk)· Цвет постепенно переходит в голубовато-синий, а затем и в голубой (Г). После 530 нм преобладает зеленый цвет, кото­рый по мере увеличения длины волны постепенно переходит в желтый (Ж), оранжевый (Ор) и затем в красный (К) цвет.

При объяснении возникновения того или иного цветового ощущения при­ходится сравнивать реакции рецепторов разного типа. К примеру, после 650 нм преобладает исключительно красный тон, при этом реакции Rз и Rk нахо­дятся в отношении 1: 10. Сравнение реакции возможно, если установлена их общая мера, с учетом, конечно, того, что реакции рецепторов разного типа качественно различны. При определенном соотношении Rc Rз и Rk возникает ощущение белого цвета. В этом случае реакции рецепторов всех типов условились считать равными, и они принимаются за единичные. Этот принцип используется не только в теории цветового зрения, но и в коло­риметрии, а также в теории цветовоспроизведения, где количество красок считается равным, если их наложение дает неокрашенный, так называемый, ахроматический цвет.

Ахроматические — это неокрашенные цвета: белый, серый, чер­ный. Они не различаются качественно. Разница в субъективном зрительном ощущении при действии на глаз ахроматических излучений зависит только от уровня раздражения рецепторов. Поэтому ахроматические цвета могут быть заданы одной «психологической» величиной, а именно светлотой.

В свою очередь, степень отличия (или отдаления) хроматического цвета от ахроматического называется насыщенностью. В колоримет­рии за единицу принимается насыщенность цветов спектральных излучений, которые глазом субъективно воспринимаются как самые насыщенные цвета.

Однако светлота и насыщенность недостаточны для полного субъектив­ного определения цвета. Когда говорят «насыщенный красный», то кроме насыщенности упоминают еще и цветовой тон. Цветовой тон — это еще одна субъективная психофизиологическая характеристика цвета, определяющая его сходство с известным и очевидным цветом, су­ществующим в природе. Например, синий цвет неба, зеленый цвет листвы, желтый цвет песка и т. д. Цветовой тон определяется рецепторами, дающими наибольшую реакцию.

⇐ Предыдущая47484950515253545556Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: