Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
готавливаются так, что их трансферная функция близка к степенной с коэффи
циентом примерно 1.5 (или, как говорят: гамма всей фотографической системы
примерно равна 1.5), то есть диапозитивы имеют высокий физический кон
траст, дабы противодействовать редукции визуального контраста, обусловлен
ной темным окружением. То же касается и телевизионных изображений, обыч
но рассматриваемых в тусклом окружении: их воспроизводят с использовани
ем степенной функции с коэффициентом 1.25 (гамма телевизионной системы
равна 1.25).
Подробнее о необходимости компенсации влияния окружения в репродуци
ровании изображений (и в целом об истории этого вопроса) см. у Ханта (1995)
и Фершильда (1995).
В 1967 г. Бартлесон и Бренеман опубликовали уравнения, весьма удачно
прогнозирующие экспериментальные результаты; а в статье, посвященной оп
тимизации тоновых репродукций, Бартлесон (1975) дал набор простых уравне
ний, имевших большое практическое значение.
На рис. 6.12 показаны предикторы светлоты (как функции от относительной
яркости в различных условиях окружения), согласующиеся с результатами
Бартлесона и Бренемана. Данный график математически идентичен данным
Стивенсов (рис. 6.10): прямые линии с разными углами наклона к логарифмиче
ским осям можно пересчитать в степенные функции по линейным осям и полу
чить кривые, сходные с кривыми Бартлесона и Бренемана (рис. 6.12).
Модели цветового восприятия, такие, как модель Ханта, RLAB и ряд
CIEмоделей, включают в себя предикторы влияния окружения на визуальный
контраст изображений.
Очень часто пользователи графических компьютеров выключают в помеще
нии свет, дабы CRTдисплей воспринимался более контрастным. В результате
159
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Рис. 6.12 Изменения в светлотном контрасте как функция от относительной фотометрической
яркости окружения (согласно данным Бартлесона и Бренемана [Бартлесон, 1975]).
окружение становится темным, что, согласно Бартлесону и Бренеману, долж
но, напротив, привести к падению контраста изображений на экране, но мы ви
дим, что прогнозы ученых противоречат нашему повседневному опыту. Однако
же причина происходящего в том, что источники освещения в рабочей комнате
обычно дают паразитные рефлексы на экран дисплея, понижающие физиче
ский контраст изображения, и если окружение дисплея удается осветить без
рефлексов на поверхность монитора (к примеру, за счет расположения источ
ников света позади монитора), то визуальный контраст изображения на экране
оказывается большим, нежели в темном помещении.
6.10 КОГНИТИВНОЕ ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ ОСВЕТИТЕЛЯ
Механизмы хроматической адаптации можно разделить на сенсорные и ког
нитивные. Хантом и Винтером (1975), а также Фершильдом (1992, 1993) четко
установлено, что сенсорные механизмы не в состоянии обеспечить хроматиче
скую адаптацию в полном объеме, однако в типичных условиях просмотра на
блюдатели воспринимают окрашенные объекты так, как будто адаптация по ос
ветителю того или иного цвета прошла полностью (к примеру, белый объект вос
принимается белым при свете лампы накаливания, флуоресцентном свете или
дневном). Поскольку, как было сказано выше, сенсорные механизмы неспособ
ны обеспечить такое восприятие, мы говорим, что процесс хроматической адап
тации завершают т.н. когнитивные механизмы, основанные на знании объек
тов, освещении и условиях просмотра в целом (подробности см. в гл. 8).
«Обесцвечивание осветителя» относится к когнитивной интерпретации на
блюдателями цветовых стимулов, определяемой особенностями освещения,
что в конечном итоге позволяет воспринимать цветовые стимулы объектов не
зависимо от изменений в освещении (и что в целом вполне совместимо с быто
вым утверждением, будто цвет так или иначе «привязан» к объекту). Суть эф
фекта когнитивного обесцвечивания осветителя важно понять, и иметь в виду
то, что этот эффект учтен в ряде моделей цветового восприятия (к примеру,
в модели Ханта, RLABмодели и пр.).
Учет эффекта когнитивного обесцвечивания осветителя полезен в работе
с изображениями, к примеру, при сравнении изображений, выполненных на
разных носителях: при рассматривании отпечатков наблюдатели способны
подстраиваться под цвет осветителя, однако же, когда они смотрят на экран мо
нитора, в их поле зрения нет освещенных объектов, и эффекта когнитивного
обесцвечивания осветителя не возникает. Таким образом, в некоторых ситуа
циях бывает необходимо смоделировать изменения в режиме просмотра.
Имеется ряд важных исследований, выполненных совсем недавно и посвя
щенных изменениям в цветовом восприятии, индуцированным сложностимуль
ными структурами и наблюдательской интерпретацией. Описание эксперимен
тов можно найти у Гилхриста (1980), Аренда и Ривса (1986), Аренда и Гольд
штайна (1987, 1990), Ширилло (1990), Аренда (1991, 1993), Ширилло и Шевел
ла (1993, 1996), Ширилло и Аренда (1995), Корнелиссена и Бреннера (1995).
Работы Гравена и Фостера (1992), а также Спайгле и Брайнарда (1996) по
160
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
священы способности наблюдателей выявлять отличия в освещении отдельно
от отличий в цвете объектов.
Лотто и Пурвс (2002), а также Пурвс с коллегами (2002) объединили множе
ство концепций, создав изящную эмпирическую теорию цветового восприятия.
6.11 ПРОЧИЕ КОНТЕКСТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Диапазон эффектов цветового восприятия, зависящих от структуры и/или
контекста стимулов, очень широк: некоторые из них относятся к категории оп
тических иллюзий, другие представляют интерес для традиционной колори
метрии (а порой, и для моделей цветового восприятия).
Оптических иллюзий великое множество, и почти каждая серьезная публи
кация, посвященная цвету или зрению в целом, обязательно включает в себя
хотя бы частичное их описание, к примеру: Ванделл (1995), Барлоу и Моллон
(1982), Гурвич (1981) и др., поэтому нет смысла повторяться. Мы лишь приве
дем ряд примеров, иллюстрирующих важность контекстных и структурных
эффектов в цветовом восприятии.
Рис. 6.13 демонстрирует возникновение структурной иллюзии, которая
имеет мало общего с цветом, но подчеркивает важность окружения стимула:
оба центральных круга имеют одинаковый диаметр, однако тот, что окружен
большими кругами, воспринимается как круг с меньшим диаметром. Данный
эффект не относится к цветовой проблематике непосредственно, но, тем не ме
нее, он демонстрирует влияние на восприятие пространственных вариаций
стимулов, а также несомненную функциональную связь между восприятием
пространственным и восприятием цветовым.
Различные эффекты прозрачности помогают убедиться в наличии взаимо
связи между пространственным и хроматическим восприятиями. Один из при
меров предлагает Адельсон (1993): на рис. 6.14 (а) показаны два ряда одинако
161
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Рис. 6.13 Пример пространственного симультанного контраста: центральные круги физиче
ски одинакового диаметра.
162
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Рис. 6.14 Эффект визуального контраста, зависящий от когнитивной интерпретации простран
ственной структуры стимулов: (а) — два ряда одинаковых серых ромбов; (b) — те же ромбы
с измененными уголками, что лишь слегка влияет на восприятие фигур; (c) — те же ромбы, но
с небольшим нахлестом на разные фоны, отличие по восприятию опять же минимально; (d) —
комбинация уголков и фонов на тех же ромбах: резкое изменение восприятия — ромбы нижне
го ряда интерпретируются как светлые объекты, которые частично затенены (или находятся
позади некоего фильтра).
вых серых ромбов; на рис. 6.14 (b) к ромбам сделана небольшая добавка из раз
нотонных уголков: мы видим, что уголки не оказывают никакого (или почти
никакого) влияния на восприятие ромбов; на рис. 6.14 (с) те же ромбы частично
посажены на различные фоны, но поскольку каждый ромб слегка «наползает»
на соседний фон, то разница в восприятии рядов попрежнему минимальна; од
нако на рис. 6.14 (d), где ромбы с разнотонными уголками посажены на разно
тонные фоны, — налицо явное перцепционное отличие одного ряда ромбов от
другого, которое когнитивно интерпретируется как эффект прозрачности (на
зываемый также теневым эффектом).
Такую же демонстрацию можно устроить и в цвете с использованием, к при
меру, желтого и синего фонов и уголков. Тогда мы сможем убедиться в том, что
на общее восприятие влияет не только пространственное расположение стиму
лов, но и их когнитивная интерпретация.
Дополнительные психофизические данные, касающиеся пространственной
структуры стимулов и их восприятия, можно найти у Логвиненко и Меньши
ковой (1994), а также Тайя и коллег (1995). В недавней работе ДеВеерда
(1998), обсуждаются различные перцепционные эффекты «заливки», которые,
правда, не имеют непосредственного отношения к нашей теме.
Влияние структурных эффектов на цветовое восприятие подтверждает Ше
велл (1993): в его экспериментах к окружениям цветовых стимулов добавля
лись простые пространственные структуры. Ученым были получены мощные
эффекты, которые невозможно объяснить известными теориями симультанно
го контраста и адаптации. Результаты, полученные Шевеллом, свидетельству
ют о необходимости синхронного учета пространственных и цветовых вариа
ций стимулов — учета именно в их неразрывной связи друг с другом, но никак
не по отдельности.
Сегодня модели цветового восприятия учитывают пространственные вариа
ции стимулов весьма примитивным образом, поэтому есть настоятельная необ
ходимость дальнейшего углубленного исследования данного вопроса, в частно
сти, по направлениям, предложенным Пойрсоном и Ванделлом (1993).
Прочие интересные цветовые эффекты во многом основаны на когнитивной
интерпретации структуры и контекста стимулов. Классические эксперименты
с т.н. памятными цветами, описанные в большинстве учебников по физиоло
гии восприятия и ощущений, тому яркий пример.
Идея памятных цветов состоит в том, что наблюдатели помнят некие цвето
вые прототипы хорошо знакомых объектов: в деле репродуцирования изобра
жений часто упоминаются небо, кожа, листва (Хант, 1995; Бартлесон, 1960;
Хант и др., 1974).
Существуют простые и легко воспроизводимые эксперименты, при кото
рых, к примеру, две фигуры, по форме напоминающие соответственно помидор
и банан, выполняют из одной и той же оранжевой бумаги, а наблюдателей при
этом просят прошкалировать цветовое ощущение от каждого объекта. Муляж
банана, как правило, воспринимается слегка желтее, нежели муляж помидора
(последний будет восприниматься чуть более красным). Описанные эффекты
163
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
164
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Рис. 6.15 Пример двухцветной репродукции изображения: (а) — полноцветный оригиал;
(b) — красная, зеленая и синяя сепарации изображения; (с) — комбинация красной сепарации,
«проектированной» через красный фильтр, с зеленой сепарацией, «проектированной» с помо
щью белого света.
слабы, но весьма устойчивы и лишний раз свидетельствуют о важности наблю
дательской интерпретации стимулов.
Дополнительные экспериментальные данные, характеризующие цветовую
память, дают Нильсон и Нельсен (1981), а также Джин и Шевелл (1996).
Двухцветные проекции
Некоторое отношение к памятным цветам имеют знаменитые двухцветные
проекции Лэнда (1959), которые включают в себя полный диапазон цветовых
ощущений, якобы воспроизводимых вопреки традиционной трехстимульной
колориметрической теории.
На рис. 6.15 показан результат лэндовской двухцветной проекции: ориги
нальное цветное изображение (рис. 6.15 [а]) в соответствии с максвелловским
принципом цветного фотографического процесса (Максвелл, 1858–62) разде
лено на три чернобелых позитива (рис. 6.15 [b]), представляющих информа
цию красного, зеленого и синего каналов. Как правило, позитивы проектиру
ются через красный, зеленый и синий фильтры соответственно и при наложе
нии друг на друга дают высококачественную репродукцию оригинального изо
бражения (рис. 6.15 [а]). В лэндовской двухцветной проекции красная сепара
ция проектируется через красный фильтр, зеленая сепарация освещена обыч
ным белым светом, а синяя — вообще не проектируется (рис. 6.15 [с]).
Как и следовало ожидать, такая проекция в состоянии воспроизвести лишь
розоватое изображение, которое хоть и смотрится достаточно полноцветным,
выглядит весьма далеким от нормальной трехцветной проекции (с которой
Лэнд, по всей видимости, не удосужился выполнить прямого сравнения!).
Качество двухцветной проекции зависит от объекта, поскольку добавка па
мятных цветов усиливает впечатление. Наблюдаемый эффект восполнения не
достающих цветовых ощущений можно легко объяснить симультанным кон
трастом и хроматической адаптацией (Джадд, 1960; Вальберг и ЛангеМа
лецкий, 1990).
***
Когнитивные аспекты цветового восприятия и цветового различения очень
интересны, но по большей части лежат вне контекста данной книги. Интерес
ный материал по данному вопросу можно найти у Давыдова (1991): любопыт
но, что когнитивная модель, предложенная исследователем, хорошо согласует
ся с различными интерпретациями цветового восприятия, объясняющими фе
номены, описанные в нашей книге.
Отметим также, что в когнитивных аспектах цветового восприятия нельзя
полностью разобраться без знакомства с классическим трудом Каца (1935) —
ученого, обладающего великолепным знанием данной проблемы.
6.12 КОНСТАНТНОСТЬ ЦВЕТА?
Константность цвета — это еще один часто обсуждаемый феномен, который
обычно толкуют как очевидную неизменность цветового восприятия объектов
165
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
при тех или иных изменениях в освещении. Такое определение вводит нас в не
которое заблуждение, главная причина которого в том, что константности цве
та... не существует в самоей человеческой природе! — материалы предыдущих
разделов текущей главы и беседа о хроматической адаптации в восьмой главе
должны окончательно прояснить данный вопрос.
Мысленно можно поставить интересный эксперимент, указывающий на не
однозначность понятия константность цвета: если цвета объектов были бы
действительно неизменны, то не было бы необходимости учитывать источник
света в колориметрических вычислениях (выполняемых для прогноза цветовых
соответствий) и в итоге не было бы нужды в моделях цветового восприятия, по
скольку CIE XYZколориметрия определяла бы это восприятие при всех возмож
ных условиях просмотра. Ясно, что дело обстоит не так, и метамерность объек
тов подчас донельзя усложняет ситуацию: объекты могут соответствовать друг
другу по цвету при одном источнике освещения, но быть совершенно непохожи
ми друг на друга при остальных источниках — то есть, мы говорим, что стимулы
метамерной пары не обладают цветовой константностью.
Почему же тогда термин «константность цвета» всетаки существует? Воз
можно, цитата из Эванса ответит на этот вопрос лучше всего: «...в повседневной
жизни мы привыкли считать цвет большинства объектов неизменным благода
ря большей склонности человека к запоминанию цветов, нежели к непосредст
венному цветовому восприятию».
Когда цвет исследуется непосредственно, отсутствие его константности ста
новится самоочевидным: изучение цветового восприятия и создание его моде
лей фактически ставят целью количественное описание и прогноз степени от
сутствия константности цвета.
Сравнительно недавние экспериментальные данные, посвященные вопросу
константности, представлены в исследованиях Блэквелла и Бушбаума (1988),
Фостера и Насцименто (1994), Курики и Учикавы (1996), а также Баумла (1999).
Вместе с тем концепция константности цвета в какойто степени попреж
нему интересна: вопервых (и это могло бы показаться странным), константно
сти цвета нет в физиологии человека; вовторых — дальнейшее изучение кон
стантности цвета может привести к возникновению теорий, утверждающих,
что зрительная система человека стремится лишь к приблизительной цветовой
константности, и описывающих ее принципиальные ограничения в реальном
мире. Такие теории существуют в сфере т.н. компьютерной цветовой констант
ности, то есть в сфере разработок систем машинного зрения (к примеру, Мэло
ни и Ванделл, 1986; Дрю и Финлейсон, 1994; Финлейсон и др., 1994).
Джеймсон и Гурвич (1989) описывают некоторые интересные концепции
константности цвета, ее физиологическую неполноту, а также биологический
смысл этой неполноты. Ученые отмечают ценность комплексных механизмов
хроматической адаптации, обеспечивающих требуемую неполноту константно
сти цвета и, следовательно, сохранение информации об освещении. Последнее
необходимо для получения важных данных об изменениях в окружающей обста
новке, к примеру: погоде, времени суток, характере освещения, а также для по
лучения информации о постоянных физических свойствах объектов сцены.
ГЛАВА 6 ФЕНОМЕНЫ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
В
шестой главе мы обсудили ряд феноменов цветового восприятия, тре
бующих расширения базовой колориметрии до уровня «высшей». Нам
стало ясно, что на цветовое восприятие стимулов влияет конфигурация поля
зрения. В текущей главе мы дадим описания и практические определения ком
понентов поля зрения, учет которых необходим для создания и развития дее
способных моделей цветового восприятия. Мы также поговорим о колоримет
рических измерениях этих компонентов.
Еще раз отметим, что эффективное использование моделей цветового вос
приятия требует четкого определения и высокоточного измерения компонен
тов наблюдательского поля зрения, поскольку различия в его конфигурациях
ведут к различиям в когнитивной интерпретации стимулов и, как следствие,
к вариативности цветового восприятия.
В последней части текущей главы будет дано объяснение явлений, возни
кающих при разных зрительских интерпретациях стимулов. Понимание сути
т.н. зрительских интерпретаций (modes of viewing
1
) поможет понять то, поче
му физически и внешне идентичные стимулы могут вызывать неодинаковые
цветовые ощущения.
Различные определения стандартных условий просмотра, предназначенные
для различных отраслей промышленности, тесно связаны со спецификацией
полей зрения, используемой в моделях цветового восприятия. Стандартизируя
условия просмотра, мы пытаемся минимизировать трудности, связанные
с прогнозом цветовых ощущений. Примером такой стандартизации может слу
жить ANSIстандарт на условия просмотра отпечатков и слайдов (1989).
2
7.1 КОНФИГУРАЦИЯ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ
Цветовое восприятие стимула зависит как от самого стимула, так и от дру
гих стимулов, соседствующих с первым в пространстве или во времени. Однако
темпоральные (временн
¢
ые) эффекты при всей их значимости редко проявляют
себя в практике работы с цветом: они не актуальны, когда наблюдатели распо
лагают временем, достаточным для адаптации зрения к условиям наблюдения,
а также когда есть гарантия темпоральной неизменности предъявляемых сти
мулов (разумеется, существует целый ряд недавно появившихся промышлен
ных областей, таких, как цифровое видео, которые рано или поздно приведут
нас к углубленному изучению временн
¢
ых аспектов цветового восприятия).
Пространственная конфигурация поля зрения всегда остается критически
167
1
Словосочетание «modes of viewing» не имеет русскоязычного эквивалента, поэтому перевод
выполнен исходя из сути явления.— Прим. пер.
2
А также стандарт ISO 3664:2000 «Условия просмотра — Полиграфия и фотография». —
Прим. пер.
важным моментом, но поскольку наши глаза всегда в движении, пространст
венные и темпоральные эффекты невозможно отделить друг от друга.
Ряд весьма интересных данных, касающихся пространственной конфигура
ции стимула и его окружения, приводит Абрамов (1992).
Идеальным пространственным представлением поля зрения явилась бы
полная спецификация сцены с пространственным разрешением, большим, чем
разрешающая способность центральной ямки сетчатки, в котором каждый
пиксел был бы представлен полным спектральным распределением энергии.
С таким представлением общего поля зрения можно было бы получить всю ин
формацию, необходимую для спецификации цветового восприятия каждого
элемента сцены. Однако когнитивный опыт наблюдателя и темпоральные эф
фекты попрежнему оставались бы неучтенными.
По ряду причин описанная спецификация поля зрения непрактична:
вопервых, понадобится огромный пакет данных, которые трудно получить
даже в лабораторных условиях, не говоря уже о реальной практике (от которой
требовать подобного просто абсурдно); вовторых, даже если удастся какимто
образом получить такие данные, их объем окажется столь велик, что создаст
очень большие трудности в переработке информации; втретьих, даже если
преодолеть все перечисленные преграды, то неизбежно понадобится модель
цветового восприятия, способная переработать весь массив данных. Такой мо
дели не существует и вряд ли она появится в обозримом будущем. Отметим, что
учет вариабельности наблюдательских суждений о цветовых ощущениях тоже
привел бы к излишнему усложнению системы.
Перечисленные выше сложности диктуют необходимость упрощения ситуа
ции, чего можно добиться, определив минимально необходимое количество
компонентов поля зрения, то есть — отобрав самые важные из них. Различные
модели цветового восприятия используют разные комбинации упомянутых
компонентов, но наиболее полный комплект предложен Хантом (1991, 1995)
для его же собственной модели. Поскольку хантовское определение поля зре
ния включает в себя расширенный набор компонентов, априори подходящих
ко всем прочим моделям, его определение мы и приводим ниже.
Поле зрения, по Ханту, делится на четыре составляющих:
1. Стимул.
2. Проксимальное поле.
3. Фон.
4. Окружение.
На рис. 7.1 показана схема поля зрения и его компонентов (по Ханту).
Стимул
ð
Стимул определен как цветовой фактор, восприятие которого мы хо
тим измерить.
Обычно под стимулом подразумевают равномерный патч с угловым разме
ром приблизительно 2°. К примеру, стимул, показанный на рис. 7.1, имеет уг
ловой размер 2°, если смотреть на рисунок с расстояния 13 см. Такой угловой
168
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА