Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
Перцепционными атрибутами изолированных цветов являются только:
цветовой тон, субъективная яркость, полнота и чистота цвета. У изолирован
ных цветов нет атрибутов, требующих оценки относительно белого (и сходным
образом освещенного) объекта.
Неизолированные цвета обладают всеми перцепционными атрибутами: цве
товым тоном, субъективной яркостью, светлотой, полнотой цвета, насыщенно
стью и чистотой.
Вспомним, что для полной спецификации цветового восприятия неизолиро
ванных стимулов необходимы пять перцепционных размерностей: субъектив
ная яркость, светлота, полнота цвета, насыщенность и цветовой тон. Однако
в практике работы с цветом, как правило, не возникает необходимости в зна
нии всех пяти атрибутов цветового восприятия, и обычно для неизолирован
ных цветов интересны и оправданны лишь три относительных параметра:
светлота, цветовой тон и насыщенность.
Беседу о различиях между субъективной яркостью/полнотой цвета и свет
лотой/насыщенностью, а также об относительной значимости этих парамет
ров, можно найти в четвертой главе.
179
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ
АДАПТАЦИЯ
В
шестой главе мы обсудили различные цветовые феномены, иллюстри
рующие тот тезис, что простая трехстимульная колориметрия в боль
шинстве случаев не в состоянии адекватно описать цветовое восприятие. Мно
гие из этих феноменов можно рассматривать как вторичные эффекты, однако
хроматическая адаптация — это, несомненно, явление первого порядка.
Трехстимульная колориметрия учит, что для усредненного наблюдателя
два стимула визуально соответствуют друг другу, если рассматриваются в оди
наковых условиях. Любопытно, что визуальные соответствия сохраняются
в очень большом диапазоне условий наблюдения. Однако, несмотря на то, что
колориметрическое равенство константно, цветовое восприятие самоей пары
стимулов может меняться радикально. Хроматическая адаптация — это как
раз тот случай, когда соответствие сохраняется, но ощущение меняется, то
есть, мы наблюдаем то самое изменение в цветовом восприятии, которое мы
обязаны понять в целях успешного конструирования его моделей.
Понятие «хроматическая адаптация» относится к способности зрительной
системы человека приспосабливаться к освещению, меняющемуся в широком
диапазоне оттенков, более или менее сохраняя при этом цветовое восприятие
объектов. Наверное, данный тезис лучше всего проиллюстрировать цветной об
ращаемой фотопленкой (слайдом) — то есть системой, не обладающей способ
ностью к хроматической адаптации. Обращаемая фотопленка сбалансирована
для экспонирования источниками дневного света, и если на такую пленку сни
мать объекты при свете ламп накаливания, результирующие слайды будут
иметь неприемлемый желтооранжевый сдвиг. Так получается потому, что фо
топленка не может управлять чувствительностью своих красного, зеленого
и синего эмульсионных слоев, то есть действовать подобно зрительной системе
человека, управляющей чувствительностью цветовых механизмов: человече
ское восприятие относительно мало меняет цвета объектов, когда освещение
переходит от дневного к свету ламп накаливания.
В данной главе мы рассмотрим основные концепции хроматической адапта
ции, но прежде отметим, что явления, связанные с ней, изучаются с глубокой
древности. Данный вопрос интересовал еще Аристотеля (Ванделл, 1995): «На
тканях и вышивках цвета сильно зависят от их взаиморасположения (фиолето
вый, например, кажется иным на белой шерсти, нежели на черной), а также от
разницы в освещении. Вышивальщицы жалуются, что, трудясь при свете
ламп, чаще путаются в этих цветах и берут неправильные».
Множество замечательных материалов, посвященных хроматической адап
тации, можно найти в книгах Барлоу и Моллона (1982), Вышецкого и Стайлса
(1982), Шпилльмана и Вернера (1990), Ванделла (1995). В журналах опублико
181
ваны статьи Терстиге (1972), Ханта (1976), Бартлесона (1978), Райта (1981),
Ленни и Д`Змура (1988).
Удачи любознательному читателю в изучении этой славной литературы!
8.1 СВЕТОВАЯ, ТЕМНОВАЯ И ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИИ
ð
Адаптация — это способность организма менять свою чувствитель
ность к стимулу в ответ на изменения в условиях стимуляции.
Отметим, что общая концепция адаптации охватывает все области воспри
ятия.
Механизмы адаптации по продолжительности могут быть сверхкороткими
(порядка миллисекунд) или наоборот — сверхдлинными, тянущимися недели,
месяцы и даже годы. В целом механизмы адаптации служат понижению чувст
вительности наблюдателя к стимулу при росте физической интенсивности по
следнего (к примеру, можно ясно слышать тиканье часов посреди тихой ночи
и совсем не слышать его на шумном приеме).
В отношении зрения важны три вида адаптации: световая, темновая и хро
матическая.
Световая адаптация
ð
Световая адаптация — это процесс понижения чувствительности зре
ния по мере роста общего уровня освещения.
К примеру: ясной ночью легко увидеть миллионы звезд, но в полдень их на
небе столько же — однако днем звезд не видно. Так получается потому, что
днем суммарная яркость неба на несколько порядков выше, чем ночью, и по
этому днем чувствительность зрения понижена в сравнении с ночной чувстви
тельностью. Таким образом, разница в яркостях ночного неба и звезд в состоя
нии обеспечить зрительное восприятие последних, тогда как днем она недоста
точно велика.
Другой пример: представьте себе, что вы проснулись среди ночи и включили
яркий свет. В первый момент вы ослеплены, не в состоянии разобрать чтолибо
и можете даже почувствовать легкую боль, но спустя уже несколько десятков
секунд вы начинаете постепенно различать предметы. Так происходит потому,
что в темноте механизмы зрения находились в наиболее чувствительном со
стоянии и сразу после включения света (изза своей повышенной чувствитель
ности) оказываются перегруженными, но спустя непродолжительное время
они адаптируются, понижая чувствительность и обеспечивая тем самым нор
мальное зрение.
Темновая адаптация
Темновая адаптация подобна световой, за исключением того, что процесс
идет в обратном направлении, то есть:
182
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
ð
Темновая адаптация — это процесс повышения чувствительности зре
ния по мере снижения уровня фотометрической яркости.
Несмотря на то, что феномены световой и темновой адаптаций сходны меж
ду собой, — это всетаки два самостоятельных явления, обусловленные разны
ми механизмами и выполняющие разную зрительную работу (например, свето
вая адаптация наступает значительно быстрее, нежели темновая).
Каждый может испытать темновую адаптацию, войдя с залитой солнцем
улицы в полумрак кинотеатра: в первый момент помещение кажется совер
шенно темным, и многие просто останавливаются на пороге, потому что ничего
не видят. Однако по прошествии короткого периода времени предметы в поме
щении (кресла, зрители) начинают выступать из темноты. Спустя еще несколь
ко минут они станут уже хорошо различимыми, и не составит большого труда
распознать фигуры знакомых, найти нужное кресло и т.п., поскольку механиз
мы темновой адаптации постепенно увеличивают общую чувствительность
зрительной системы.
О световой и темновой адаптациях можно говорить как об аналогии автома
тическому контролю экспозиции в фотоаппаратах.
Хроматическая адаптация
Процессы световой и темновой адаптаций радикально влияют на цветовое
восприятие стимулов и поэтому учитываются многими моделями цветового
восприятия. Однако третий вид адаптации зрения — хроматическая адапта
ция — самый важный, и его обязательно должны учитывать все модели.
ð
Хроматическая адаптация — это процесс в значительной мере незави
симой регулировки чувствительности механизмов цветового зрения.
Более того, часто звучит мнение, что хроматическая адаптация основана
только на независимом изменении чувствительности трех типов колбочковых
фоторецепторов (в то время как световая и темновая адаптации — это результат
общего изменения чувствительности всего рецепторного аппарата). Однако
важно помнить, что существуют иные механизмы цветового зрения (действую
щие, к примеру, на оппонентном уровне и даже на уровне распознавания объ
ектов), способные к изменению чувствительности, которые также можно отне
сти к механизмам хроматической адаптации.
В качестве примера хроматической адаптации возьмем лист белой бумаги,
освещенной дневным светом. Если этот лист перенести в помещение, освещен
ное лампами накаливания, он попрежнему будет восприниматься белым, не
смотря на то, что энергия, отраженная от листа, сменилась с преимущественно
«синей», на преимущественно «желтую» (это то самое изменение, к которому
не может приспособиться цветная обращаемая фотопленка, о чем мы говорили
во введении к данной главе).
Рис. 8.1 иллюстрирует данную ситуацию: на рис. 8.1 (а) показана типичная
сцена при дневном освещении; на рис. 8.1 (b) — та же сцена, освещенная лампа
183
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
184
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Рис. 8.1 (a) — сцена, освещенная дневным светом; (b) — та же сцена, освещенная светом ламп
накаливания и воспринятая некоей зрительной системой, не способной к хроматической адап
тации; (с) — та же сцена, освещенная светом ламп накаливания и воспринятая некоей зритель
ной системой при типичной хроматической адаптации по фон Кризу (подобно зрительной сис
теме человека).
ми накаливания и воспринятая некоей зрительной системой, не способной
к адаптации; на рис. 8.1 (с) — опять та же сцена при свете ламп накаливания,
воспринятая некоей зрительной системой, способной к адаптации подобно зри
тельной системе человека.
Второй иллюстративный пример хроматической адаптации — т.н. постоб
разы, показанные на рис. 8.2: сосредоточьтесь на черной точке в центре фигуры
и запомните позиции ее цветов; спустя примерно 30 секунд переведите взгляд
на освещенную белую область, например, на белую стену или чистый лист бу
маги. Обратите внимание на появившиеся цвета и их взаиморасположение.
Возникшие постобразы — это результат независимого изменения чувствитель
ности цветовых механизмов. К примеру, области сетчатки, экспонированные
красным стимулом рисунка 8.2, понижают свою чувствительность к «крас
ной» энергии по мере адаптирующей экспозиции вызывая недостаточность
«красного» ответа данной области сетчатки (в норме ожидаемого при воздейст
вии белых стимулов), в результате при взгляде на белую поверхность появляет
ся голубой постобраз. Возникновение остальных цветов в постобразах объясня
ется аналогично.
Итак, если о световой адаптации можно говорить как об аналогии автомати
ческому контролю экспозиции, то об адаптации хроматической мы говорим
как об аналогии автоматическому балансу белого в видео или цифровых фото
камерах.
Райт (1981) дает исторический обзор того, зачем и как изучалась хроматиче
ская адаптация.
185
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Рис. 8.2 Пример постобразов, вызванных локальной ретинальной адаптацией.
На 30 секунд зафиксируйте взгляд на черной точке, а затем переведите его на равномерную бе
лую поверхность. Обратите внимание на цвета постобразов и сравните их с цветами оригиналь
ных стимулов.
8.2 ФИЗИОЛОГИЯ
Безусловно, феномены адаптации зрения сами по себе очень интересны, но
для того чтобы должным образом их моделировать, нам нужно разобраться
в физиологических механизмах этих феноменов.
Существует несколько различных механизмов адаптации, лежащих в диа
пазоне от строго сенсорных, через рефлекторные, к чисто когнитивным. Не
смотря на то, что все механизмы адаптации еще до конца не изучены, весьма
полезно по крайней мере познакомиться с их видами, дабы понять, как именно
эти механизмы учтены в различных моделях цветового восприятия.
Ниже мы обсудим:
1. Зрачковый рефлекс (сужение/расширение).
2. Палочкоколбочковый переход.
3. Рецепторный контроль усиления.
4. Субтрактивные механизмы.
5. Высокоуровневую адаптацию.
Зрачковый рефлекс
Наиболее очевидный механизм световой и темновой адаптаций — это суже
ние и расширение зрачка.
В обычных просмотровых ситуациях диаметр зрачка меняется от 3 до 7 мм,
что соответствует изменению его площади примерно в пять раз. Таким обра
зом, изменением диаметра зрачка можно объяснить световую и темновую адап
тации в пятикратном диапазоне яркостей. Это может показаться весьма суще
ственным, однако диапазон уровней яркостей, в котором зрительная система
человека может успешно функционировать, составляет 10 порядков, и поэтому
ясно, что зрачок обеспечивает лишь один из механизмов адаптации, которым
нельзя объяснить все зрительные возможности. Следовательно, должны суще
ствовать дополнительные инструменты адаптации, являющиеся неотъемле
мой частью как физиологии сетчатки, так и вышестоящих отделов зрительной
системы.
Палочко;колбочковый переход
В сетчатке человека содержатся фоторецепторы двух классов: палочки
и колбочки. Колбочки менее чувствительны, чем палочки, и реагируют при вы
соких уровнях освещения, в то время как палочки более чувствительны и реа
гируют при низких уровнях освещения. Переход от колбочкового зрения к па
лочковому (возникающий на яркостях порядка 0.1–1.0 cd/m
2
) обеспечивает
еще один механизм световой и темновой адаптаций.
Понижение чувствительности колбочек по мере роста уровней яркости (све
товая адаптация) происходит довольно быстро, требуя максимум нескольких
минут, тогда как повышение чувствительности палочек (по мере падения уров
ня яркости) требует большего времени. Сказанное можно проиллюстрировать
классической кривой темновой адаптации, демонстрирующей восстановление
186
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
порога после экспозиции экстремально ярким адаптирующим стимулом
(рис. 8.3). Начало графика демонстрирует процесс восстановления чувстви
тельности колбочек, завершающийся спустя несколько минут (что показывает
горизонтальный участок кривой). Затем, примерно через 10 минут, палочки
восстанавливают достаточную чувствительность и становятся чувствительнее
колбочек, а кривая, соответственно, снова падает. Спустя примерно 20 минут,
палочки выходят на максимальную чувствительность, и график темновой
адаптации вновь выравнивается. Приведенная кривая объясняет динамику
восприятия, наблюдаемую после входа в темный кинозал.
Вдобавок к обеспечению механизма световой и темновой адаптаций
палочкоколбочковый переход оказывает радикальное влияние на цветовое вос
приятие: вспомним, что существует три вида колбочек, обеспечивающих цвето
вое зрение, но при этом только один вид палочек, и, таким образом, если яркость
снижена до уровня, при котором активны только палочки, наблюдатель факти
чески становится цветослепым, воспринимая мир через градации серого.
1
На этом наш интерес к палочкоколбочковому переходу в контексте моделей
цветового восприятия и моделей хроматической адаптации исчерпан, и мы
должны теперь обратиться к иным механизмам. (Примечание: влияние пало
187
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
0 102030
0
1
2
3
4
5
Время после экспозиции
слепящимбелымсветом(мин)
Рис. 8.3 Типичная кривая темновой адаптации, демонстрирующая восстановление порога по
сле экспозиции ярким белым светом.
1
Данное утверждение несколько формализовано: ощущение серого (нейтрального) — сугубо
фотопическое, инициированное колбочковым ответом, то есть именно цветовое ощущение,
хотя и считающееся ахроматическим (равноудаленным от маргинальных насыщенностей по
всем возможным цветовым тонам). При палочковом зрении ощущение полутонов весьма спе
цифично и его вообще трудно охарактеризовать, тем более как «серое». Убедиться в неодно
значности «серого» при палочковом зрении легко, сосредоточившись на своих ощущениях
в скотопических условиях просмотра, например, при свете звезд или в едва освещенной комна
те. — Прим. пер.
чек на цветовое восприятие может оказаться значимым на низких уровнях фо
тометрической яркости, что учтено хантовской моделью цветового воспри
ятия).
Рецепторный контроль усиления
Наверное, наиболее важным механизмом хроматической адаптации явля
ется процесс независимого изменения чувствительности фоторецепторов, на
зываемый иногда рецепторным контролем усиления.
Контроль усиления можно представить себе как вариации отношений меж
ду числом фотонов, падающих на фоторецептор, и электрохимическим сигна
лом, который выдает фоторецептор в ответ на фотонное воздействие. Хромати
ческая адаптация будет обеспечена снижением усиления при большом числе
фотонов (высокие уровни возбуждения для специфического вида колбочек)
и его увеличением при их недостатке. Ключ к хроматической адаптации в том,
что контроль усиления по каждому из трех типов колбочек является независи
мым. (Безусловно, контроль усиления является также механизмом и световой
адаптации, но световая адаптация может быть реализована за счет синхронно
го контроля усиления колбочками всех трех типов, поэтому независимый ме
ханизм хроматической адаптации здесь избыточен).
Физиологически изменения в фоторецепторном усилении можно объяснить
истощением колбочкового пигмента на высоких уровнях яркости: свет разру
шает молекулы пигмента (этап процесса фототрансдукции
1
), и молекул стано
вится недостаточно для дальнейшего зрительного ответа. Следовательно, чем
выше интенсивность стимула, тем меньше остается фотопигмента и тем ниже
чувствительность фоторецепторов.
Истощением пигмента можно вполне удовлетворительно объяснить процесс
понижения колбочковой чувствительности, но имеются данные, что зритель
ная система подобным же образом адаптируется и на тех уровнях яркости, для
которых истощение пигмента нехарактерно. Такая адаптация, как полагают,
обеспечивается механизмами контроля усиления на уровне горизонтальных,
биполярных и ганглиозных клеток сетчатки. Контроль усиления в нерецептор
ных клетках сетчатки помогает объяснить некоторые низкочастотные про
странственные характеристики хроматической адаптации.
Делахант и Брайнард (2000) говорят о некоем взаимодействии между кол
бочками разных типов в процессе хроматической адаптации.
Субтрактивные механизмы
В дополнение к контролю усиления существует психофизическое доказа
тельство существования т.н. субтрактивных механизмов хроматической адап
тации (Варлавен, 1976; Шевелл, 1978). Физиологические механизмы субтрак
188
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
1
Фототрансдукция — процесс возникновения в светочувствительной клетке электрического
потенциала (порядка 40 мВ) за счет обратимого химического преобразования родопсина под
воздействием квантов света. — Прим. пер.