Цвет — это ощущение, которое возникает в сознании человека при

Цвет — это ощущение, которое возникает в сознании человека в результате
сравнения его зрительным аппаратом электромагнитных излучений с частотами в
диапазоне от ххх до ххх герц. Эволюционно цветовое ощущение предназначено для
идентификации и различения физических поверхностей по их отражательной способности.
Вообще говоря, цветовые ощущения могут быть вызваны и другими причинами:
болезнь, удар, мысленная ассоциация, галлюцинации и др., но эти причины находятся вне
данного контекста.
Изначально цветовое ощущение является для человека только лишь признаком
определенной поверхности или предмета, но не физической характеристикой
спектральных отражающих свойств этой поверхности. ( «Эта трава не зеленая, а желтозеленая, значит она уже не годится для выпаса скота.» А не: «Эта трава имеет больший
коэффициент отражения в длинноволновой области.», хотя физически ее желто-зеленый
цвет обусловлен именно этим.)
Одной из важнейших целей работы всего зрительного аппарата, является
сохранение постоянным цветового ощущения от конкретной поверхности или предмета
независимо от условий, в которых эта поверхность или предмет наблюдаются. Полностью
цель эта достигается (?) в достаточно узком диапазоне условий наблюдений, в
существенно большем диапазоне она достигается приблизительно, но тем не менее, в
большей или меньшей степени цветовое ощущение помогает (вместе с другими
признаками) идентифицировать предмет или поверхность. В экстремальных условиях
наблюдения цветовое ощущение перестает работать как идентификатор поверхности, но на
уровне осмысленных рассуждений может работать как детектор самих этих экстремальных
условий.
Возможность сравнения зрительным аппаратом различных электромагнитных
излучений обеспечивается наличием в сетчатке глаза сенсорных клеток с различной
спектральной чувствительностью. Если (пока) не принимать во внимание условия низкой
освещенности, то можно говорить о трех типах таких сенсоров: с пиками чувствительности
ххх герц (l), ххх герц (m), ххх герц (s). Сенсоры эти устроены таким образом, что фотоны
определенной частоты с большей или меньшей вероятностью взаимодействуют с
белковыми молекулами, содержащимися в этих сенсорных клетках, и запускают очень
сложные каскады биохимических реакций, приводящий в итоге к изменению
электрического потенциала клетки. Изменение этого потенциала и есть выходной сигнал
сенсора или сенсорный отклик. Количество таких каскадных реакций, запущенных в
результате воздействия электромагнитного излучения, будет определять воздействие на
тот или иной тип сенсора, а данные для всех трех типов сенсоров будут величиной
воздействия излучения на зрительную систему. Иначе говоря, величина зрительного
стимула определяется количеством реакций, запускаемых им в каждом из трех различных
типах сенсоров.
Однако, количество запущенных фотонами реакций для конкретного стимула не
является постоянной величиной и зависит не только от спектрального распределения
мощности излучения стимула, но и от состояния самого зрительного аппарата. Например,
при повышении уровня освещенности начинает сужаться зрачок, ограничивая световой
поток, попадающий в глаз. Возможно включение и других механизмов, уменьшающих
воздействие стимула на зрительную систему. Поэтому величиной стимула следует считать
максимально возможное количество реакций запускаемых стимулом в сенсорных клетках
при самых благоприятных условиях. Называться эта величина будет: потенциал
воздействия стимула (потенциал стимула) и выражаться тремя числами, соответственно с
воздействием на сенсоры трех различных типов. Потенциал стимула является необходимой
и достаточной характеристикой электромагнитного излучения как зрительного стимула,
любые другие характеристики могут быть только производными от потенциала стимула.
Для того чтобы вычислить потенциал воздействия стимула необходимо знать
следующее:
Спектральное распределение мощности излучения;
Спектральное распределение вероятности взаимодействия с тремя типами
сенсоров (спектральная чувствительность сенсоров);
Спектральный коэффициент пропускания внутренних сред глазного яблока;
(Что-то еще?)
Поскольку для сенсора выполняется принцип суперпозиции или линейности,
потенциал воздействие суммы стимулов будет равен сумме потенциалов воздействия
каждого стимула. Это означает, что для того, чтобы узнать потенциал любого стимула
состоящего из нескольких стимулов с известным потенциалом, необходимо просто
сложить величины их потенциалов по каждому типу сенсоров.
Как уже говорилось, в результате возникновения сложнейшего каскада
биохимических реакций каждый акт взаимодействия фотона с молекулой белка в
сенсорной клетке приводит к небольшому изменению электрического потенциала клетки.
Чем больше мощность стимула, тем больше таких актов и тем больше изменение
потенциала, пока процесс не достигает насыщения. Дальнейшее увеличение мощности
стимула уже не может привести к увеличению сенсорного отклика.
На графике это выглядит так:
Следует отметить, что насыщение достигается уже при относительно небольшом
увеличении мощности излучения: с хх фотонов до хххх фотонов, в хх раз. Однако, в
реальной жизни, даже без учета сумеречного освещения, человеку приходится имеет дело
со стимулами от хх до ххххххх фотонов.
Для увеличения диапазона мощностей излучения, с которыми может работать
наше зрение, существует несколько механизмов. Самым заметным является зрачковый
рефлекс: при увеличении общего уровня освещения зрачок начинает сужаться и уменьшает
мощности стимулов. Диаметр зрачка может уменьшиться с х.х мм до х.х мм, что уменьшит
воздействие стимула на сенсор в х.х раз: это позволяет зрению человека
приспосабливаться к изменению освещения – происходит зрачковая адаптация. Однако
механизма зрачковой адаптации абсолютно недостаточно, чтобы перекрыть весь диапазон
мощностей стимулов, постоянно встречающийся в жизни человека.
Существенно более важным механизмом адаптации является адаптация
сенсорная. Обеспечивается она тем, что побочным продуктом каскадных реакций в клетке,
изменяющих ее электрический потенциал, являются вещества затрудняющие
возникновение и протекание этих самых реакций. В результате, при наличии
предварительного воздействия на сенсор, его отклик на любой последующий стимул
уменьшиться, т.к. фотоны стимула смогут запустить меньшее число каскадных реакций,
чем предполагает потенциал воздействия стимула. Больше того, если потенциал стимула
меньше некоторой величины, определяемой мощностью такого предварительного
воздействия, то сенсорного отклика не будет вовсе. Величина эта - адаптационный порог
или порог адаптации, и все стимулы, имеющие потенциал меньше порога адаптации, будут
восприниматься зрением как черные. Именно здесь лежит первооснова т.н.
«нелинейности», «компрессии».
В обычной жизни глаз человека находится в постоянном движении, поэтому
стимулы попадающие на единичный сенсор постоянно меняются. Этот постоянно
меняющийся калейдоскоп стимулов и определяет порог адаптации каждого отдельного
сенсора, а следовательно и его реакцию на каждый конкретный стимул.
График сенсорного отклика с учетом адаптации будет выглядеть так:
Для того, чтобы вычислить сенсорный отклик на стимул необходимо знать не
только значение потенциала воздействия, но и адаптационный порог, различный для
каждого типа сенсоров. Таким образом, сенсорный отклик это не просто результат
воздействия какого-то одного стимула, а результат сравнения воздействия данного
стимула с воздействием других стимулов находящимися в поле зрение.
Итак, стимул воздействовал на зрительный аппарат человека. Потенциал этого
воздействия [P(l,m,s)] определяется спектральным распределением мощности стимула,
поглощением глазных сред и характеристиками спектральной чувствительности трех
типов сенсоров. Потенциал воздействия стимула, дошедшего до сенсоров, может
уменьшиться за счет действия зрачковой адаптации[K], а то, на сколько этот потенциал
будет реализован, зависит от сенсорной адаптации [A(l,m,s,)]. На выходе мы получаем
сенсорный отклик [S(l`, m`, s`)], и это уже есть результат сравнения, который не несет в
себе никакой информации о величине потенциала стимула или о каких бы то ни
было других характеристиках электромагнитного излучения.
Массив полученных от рассматриваемой сцены сенсорных откликов является для
зрения единственным материалом для дальнейшего анализа. Нейронная сеть сетчатки
глаза всевозможным образом группирует сенсорные отклики и проводит их первичный
анализ для выявления различных аспектов наблюдаемой человеком сцены: движения,
границ объектов и др. В контексте интересующих нас цветовых ощущений, для каждой
точки наблюдаемой сцены этот анализ (в несколько сильно упрощенном виде) выглядит
следующим образом:
1.
Суммируются ответы сенсоров [al`+bm`+cs`] для данного стимула сцены. Это
дает возможность сравнивать и различать физические поверхности по их общей
отражательной способности. Результатом этого является нейронный ответ [L],
посылаемый нейроном сетчатки в кору головного
2.
Сумма ответов от l` сенсоров для данного участка сцены сравнивается с суммой
ответов от m` сенсоров, что дает возможность сравнивать и различать физические
поверхности по их способности отражать свет в области средних и низких частот.
Результатом этого сравнения является нейронный ответ [a], посылаемый
нейроном сетчатки в кору головного мозга.
3.
Суммарный ответ от l` и m` сенсоров для данного участка сцены сравнивается с
суммой ответов от s` сенсоров, что дает возможность сравнивать и различать
физические поверхности по их способности отражать свет в области высоких и
всех остальных частот. Результатом этого сравнения является нейронный ответ
[b], посылаемый нейроном сетчатки в кору головного мозга.
Дальнейшая, судя по всему, не очень сложная и достаточно однозначная,
обработка сигналов a, b в коре головного мозга приводит к возникновению
соответствующего цветового ощущения, которое сознание человека может использовать
для тех или иных целей.
Естественным образом человек осознает различие между цветовыми ощущениями
как отличие по светлоте (L), цветовому тону (H) и насыщенности (C).
Светлота понимается сознанием как сравнение с черным: чем больше цветовое
ощущение отличается от черного, тем более светлым оно нам представляется, а нулевой
светлоте (L=0) будет соответствовать само черное.
Цветовой тон понимается как похожесть или непохожесть на хорошо нам
известные цветовые ощущения от известных предметов: цвет спелого помидора, цвет
травы, цвет чистого неба и т.д. Со временем для наиболее характерных цветовых
ощущений у человечества появились отдельные обобщающие понятия красный, зеленый,
желтый и т.д. Для цветового тона нет понятия «больше-меньше»: нельзя сказать, что
красный больше зеленого или что синий меньше фиолетового, нет начала отсчета - точки
0, и нет направления. Однако есть определенная последовательность восприятия цветового
тона: если его плавно изменять стимул, то желтый через оранжевый переходит в красный,
далее через пурпурный и фиолетовый к синему и через голубой и зеленый опять выходим
к желтому. Такая (или обратная) последовательность называется цветовым кругом.
Насыщенность понимается как то, насколько выраженным является цветовой
тон, насколько очевидно его можно отнести к какому-то из известных цветовых тонов.
Если невозможно отнести цветовое ощущение ни к какому цветовому тону, то такое
цветовое ощущение мы называем серым, или ахроматичным, а его насыщенность будет
равна нулю (C=0).
Как уже говорилось, главная задача цветового зрения - сохранение постоянным
цветового ощущения (цветовая константность) от конкретной поверхности или предмета
независимо от условий, в которых эта поверхность или предмет наблюдаются. Т.е. с
помощью цветовых ощущений мы получаем информацию об отражающих свойствах
поверхностей, а носителем этой информации являются отраженные от различных частей
наблюдаемой сцены электромагнитные излучения, которые сравнивает между собой наш
зрительный аппарат. При этом в процессе сравнений информация о самих этих
отраженных излучениях полностью утрачивается.
Однако, так система должна работать в идеале, в реальности же, мы видим, что
цветовая константность соблюдается только с некоторыми оговорками, с той или иной
точностью, если она вообще соблюдается. Происходит это потому, что такой механизм
цветового зрения создан не для современного Homo sapiens с его стремительно
увеличивающимися потребностями, а для не слишком требовательных приматов,
потребности которых достаточно ограничены и не включают ни глянцевых журналов, ни
походов в кино, ни просмотров футбольных матчей по телевизору.
Источники освещения для них ограничиваются так или иначе отфильтрованным
излучением Солнца (т.е. освещение имеет непрерывный и более-менее «гладкий» спектр),
просмотровые ситуации весьма ограничены (банан всегда рассматривается на фоне
листвы, а цветы на фоне травы) и для таких условий все работает отлично: безошибочным
признаком спелости банана служит цветовое ощущение, которое вызывает его кожура. Для
человека в не техногенных условиях цвет так же служит надежным признаком свойств
предметов: при нормальном цветовом зрении никто не спутает спелую землянику с не до
конца созревшей или с совсем неспелой, а свежескошенную траву с сеном. Естественным
образом человек воспринимает цветовые ощущения как признак тех или иных качеств
предмета, как свойства окружающего мира, а не как физические свойства поверхностей,
т.е. это ощущение является ответом на вопрос: можно есть или нельзя? А вовсе не то,
каково цветовое ощущение от этой ягоды. И уж тем более не то, сколько света отражается
в той или иной части спектра. В целом, система работает с необходимой биологической
особи точностью, ровно так, как она проектировалась.
Все усложнилось, как только человек занялся созданием изображений, в
особенности фотореалистических изображений, т.е. таких, в которых должны быть точно
переданы не только форма и взаимное расположение предметов изображаемой сцены, но и
изображенные поверхности этих предметов должны вызывать такие же цветовые
ощущения, что и сами предметы. Чем больше изображений создает человечество, тем
более высокие требования предъявляются к точности цветовоспроизведения, и то, что
было хорошо в прошлом веке, теперь считается техническим браком. А то что для эксперта
по цвету является неприемлемым искажением для обычного человека останется
незамеченным.
Цветовые ощущения предназначены для простого использования, однако, для
того чтобы использовать их было просто, создан весьма сложный механизм. Только знание
устройства и понимание работы этого механизма может помочь в бла-блабла………………
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Выводы. Исходя из изложенного:
Основными величинами колориметрии будут: потенциал стимула P(l,m,s),
адаптация A(l,m,s) (это тоже потенциал некоего усредненного по времени
стимула), колбочковые отклики, результаты оппонентных сравнений (Lab), LCH и
dE.
Никакого смысла в «светотехнике» и светотехнических величинах нет. Никакое
свойство стимула не может быть описано каким-либо одним числом – только
всеми тремя. Хочется, конечно, описывать светлоту одной цифрой исходя только
из физических характеристик стимула, но попытки эти выливаются в эффект
Гельмгольца-Кольрауша и прочее, т.к. необходимо отдельно учитывать
адаптацию по каждому типу сенсоров. Т.е. для каких то простых целей это
ограничено возможно, например какая лампочка «больше света дает», но в
колориметрии неприемлимо.
Необходимо полностью перейти на l,m,s и отказаться от использования CIE-x,y,z
колориметрии. При использовании абсолютных l,m,s сразу проявятся все так
называемые «яркостно-зависимые феномены» (Следует отметить, что цифровые
фотоаппараты дают нам именно абсолютные значения, постольку поскольку в
экзифе мы имеем данные о выдержке и диафрагме.)
Сенсорная адаптация – основа «хроматической», «световой» и (до уровня
включения палочек) «темновой» адаптации. Все это один и тот же механизм:
независимое изменение чувствительности каждой отдельно взятой колбочки в
зависимости от совокупности стимулов действовавших на нее в течение
некоторого времени. (Есть и другие механизмы – зрачок, объединение откликов.)
Если вообще правильно называть это адаптацией: в принципе – это основа зрения.
Необходимо найти различия в стимулах и интерпретировать набор этих различий.
Процесс сенсорной адаптации состоит из нескольких (минимум из двух, а
возможно из трех) параллельных процессов в клетке, прерывающих каскадные
реакции на разных этапах каскада и протекающих с разной скоростью.
В интерпретации опытов со зрением сенсорная адаптация чаще всего не
учитывается, хотя длительная фиксация на стимуле находящемся в самом
центре поля зрения безусловно вызывает адаптацию сенсоров (вспомним
постизображения). В целом ряде случаев это приводит к совершенно
неправильным выводам. Т. е. когда сравнивают «насыщенный красный» и
«насыщенный синий» на однинаковом сером фоне, считают, что адаптация
неизменна, но это категорически не так!
Очень хорошим способом понять, как работает сенсорная адаптация, может быть
пример рассматривания поля состоящего из трех типов небольших (но отчетливо
различимых) квадратов – синих, зеленых и красных. Суммарный потенциал
воздействия этих стимулов должен быть равен стимулу от серого квадрата с
коэффициентом отражения 0,5 (0,18?). Потом можно добавить абсолютно черный
и абсолютно белый. На этом примере легко рассуждать, да, наверное, и живые
опыты на таком поле тоже правильно проводить, поскольку это дает возможность
исследовать различные стимулы сохраняя одинаковую адаптацию, путем
соответствующего изменения всех стимулов.
Возможно, роль когнитивной составляющей в формировании цветового
ощущения сильно преувеличена. Во всяком случае, не описаны никакие
когнитивные механизмы, способные влиять на формирование цветового
ощущения на уровне сетчаточной обработки. Мы можем ошибочно приписывать
той или иной поверхности цветовое ощущение, которое, как мы знаем из своего
зрительного опыта, обычно ей соответствует, но это не значит, что наша ошибка
влияет на другие цветовые ощущения, т.е. эта когнитивная поправка действует
только для конкретного предмета.
Наш зрительный аппарат не предназначен для сравнения и идентификации
электромагнитных излучений, попытка использовать его для этой цели часто
приводит к ошибкам
Очень печальный вывод. Нет и не может быть какой-либо волшебной формулы,
какого-либо гениального подхода к проблеме, позволяющих одним махом решить
проблему точного математического описания цветового зрения. Возможен только
нудный и длительный процесс описания многочисленных мелких подробностей,
которые соединенные вместе дадут описание настолько точное, насколько полно
будут эти подробности учтены и насколько тщательно они будут описаны.
7.
8.
9.
10.
В контексте создания, репродуцирования и воспроизведения изображений.
1.
Необходимо определить потенциал для каждого стимула фиксируемой сцены, а
также в той или иной степени подробностей определить потенциалы для стимулов
входящих в окружение сцены.
2.
Для каждого цветовоспроизводящего устройства необходимо иметь формулы
получения стимулов с заданным потенциалом и обратные формулы.
3.
Необходимо иметь формулы для расчета атрибутов цветового ощущения для
каждого стимула сцены и обратные формулы для расчета необходимых стимулов
исходя из известных для каждой точки изображения цветовых ощущений.
В принципе, для точного цветовоспроизведения достаточно было бы только
первых полутора пунктов. Однако, в реальности есть, как минимум, две вещи, которые не
позволяют ограничиться этим. Во-первых, даже абсолютно точно воспроизведя
зафиксированную сцену, мы, как правило, рассматриваем ее потом в совершенно в другом
окружении, что приводит к изменению цветовых ощущений, вызываемых стимулами
сцены. Во-вторых, наши устройства цветовоспроизведения (устройства создающие
стимулы изображения, стимуловоспроизводящие) чаще всего способны точно
воспроизвести только некоторую часть стимулов присутствовавших в оригинальной сцене,
и это неизбежно приводит к несовпадению цветовых ощущений. Поскольку цветовые
ощущения это не информация о стимулах, а информация о сравнении этих стимулов, мы
во многих случаях можем так изменить все стимулы описывающие сцену, что цветовые
ощущения останутся неизменными или очень близкими к исходным. Однако для этого нам
необходимы другие полтора пункта.
Особенные сложности вызывает попытка расчета атрибутов цветового ощущения
для каждого стимула сцены, т.к. ощущение в каждой точке сцены зависит, строго говоря,
от стимулов во всех точках в поле зрения. Рассчитываемые сегодня координаты Lab или
LCH практически никогда не соответствуют реальному цветовому ощущению от данной
точки в конкретном изображении. Вызвано это тем, что все имеющиеся сегодня способы
расчета атрибутов цветового ощущения либо рассчитаны на какие-то одни строго
фиксированные условия просмотра, либо учитывают условия просмотра очень
поверхностно.
Возможность знать величины реальных атрибутов цветового восприятия крайне
важна так же для вычисления порога цветового отличия – dE, который является основой
для огромного количества практических применений науки о зрении.