Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
тивной адаптации можно выявить путем исследования т.н. темпорального им
пульсного ответа колбочковых фоторецепторов, который двойственен и может
усиливать динамические и подавлять статические сигналы. Подобные процес
сы обнаруживаются в т.н. латеральных ингибиторных механизмах сетчатки
1
,
которая благодаря им выдает пространственноантагонистичные импульсные
ответы, усиливающие реакцию на пространственнонеоднородные стимулы
и подавляющие реакцию на пространственнооднородные.
Физиологические модели мультипликативного (усиление) и субтрактивно
го (подавление) механизмов адаптации (Хано и колл., 1987; Хано и Смит, 1989)
могут быть полностью совместимыми с теми моделями цветового восприятия
(глава 9), которые учитывают лишь контроль усиления, предполагая при этом,
что субтрактивный механизм имеет место после нелинейной компрессии.
Если функцию нелинейного ответа прологарифмировать, то субтрактивные
изменения становятся идентичными мультипликативным — такая простая
математическая манипуляция обеспечивает согласование результатов порого
вой психофизики, физиологии и науки о цветовом восприятии, а также выдви
гает на передний план значимость нелинейных компрессий как механизмов
адаптации.
Рис. 8.4 демонстрирует функцию нелинейного ответа, типичную для зри
тельной системы человека (или любой из систем визуализации). Функция от
ражает уровень порога, ниже которого ответ постоянен, и уровень насыщения,
выше которого ответ также постоянен.
Три входных позиции иллюстрируют различные уровни адаптации в соот
ношении 100:1. Как видно из рис. 8.4, диапазон входных стимулов 100:1 выда
ет малый выходной диапазон ответов на низком и высоком уровнях адаптирую
щих яркостей и большой выходной диапазон на промежуточных уровнях.
Понижение ответа на низких уровнях — это фундаментальное ограничение
чувствительности обсуждаемых механизмов, в то время как компрессию отве
та на высоких уровнях можно счесть формой адаптации (понижение чувстви
тельности при повышении входного сигнала).
Функции нелинейного ответа (как, например, показанные на рис. 8.4), не
обходимы моделям цветового восприятия для прогнозирования таких фено
менов, как эффект Стивенса и эффект Ханта (см. гл. 6).
Высокоуровневые механизмы адаптации
До сего момента мы обсуждали низкоуровневые процессы переднего края
зрительной системы, т.е. работу механизмов, отвечающих на очень простые
стимульные конфигурации и адаптирующих к ним.
Вебстер и Моллон (1994) предлагают интересный материал, иллюстрирую
щий отношения между пространственным контрастом, цветовым восприятием
и высокоуровневыми механизмами. Они также приводят ряд примеров адапта
189
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
1
Латеральные ингибиторные механизмы, то есть механизмы подавления (ингибиции) ак
тивной клеткой сетчатки функциональной активности смежных клеток, приводят в действие
процесс т.н. латерального торможения зрительных нейронов. — Прим. пер.
ции (см. ниже), которая должна иметь место на высших уровнях зрительной
системы (то есть в коре головного мозга):
1. Эффект МакКоллоу.
2. Пространственночастотная адаптация.
3. Адаптация к движущимся стимулам.
Перечисленные примеры полезно рассмотреть как иллюстрацию к иным ви
дам высокоуровневой адаптации, которые еще не обсуждались.
Эффект МакКоллоу
Чтобы познакомиться с данным эффектом нужно периодически смотреть на
комбинацию красных и черных полос одной ориентации, скажем горизонталь
ной, а затем на другую комбинацию зеленых и черных полос другой ориента
ции, например, вертикальной. Если рассматривать каждую из комбинаций
в течение нескольких секунд, переходя от одной к другой и обратно, то ника
ких простых постобразов не образуется.
Если после периода адаптации, длящегося примерно четыре минуты, на
блюдатель переведет взгляд на комбинацию черных и белых полос с простран
ственной частотой, сходной с частотой адаптирующих комбинаций, то черно
белые комбинации вертикального положения станут восприниматься чер
190
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Рис. 8.4 Функция ответа зрительной системы человека, иллюстрирующая его компрессию на
низких и высоких уровнях входного сигнала.
1
1
В оригинале ось ординат поименована как «Относительный ответ», но исходя из логики из
ложения, а также из закона Стивенса здесь должен быть «Логарифм относительного ответа».
В переводе исправлено.— Прим. пер.
1
В оригинале ось ординат поименована как «Относительный ответ», но исходя из логики из
ложения, а также из закона Стивенса здесь должен быть «Логарифм относительного ответа».
В переводе исправлено.— Прим. пер.
но/розовыми, а комбинации горизонтального положения — черно/светлозе
леными. Эффект зависит от цвета и ориентации адаптирующих стимулов и не
может быть истолкован как простой постобраз, поскольку предполагает адап
тацию на корковом уровне зрительной системы (где были обнаружены нейро
ны, отвечающие на конкретные пространственную ориентацию и пространст
венную частоту стимулов). Интересно, что данный эффект весьма затяжной
и может длиться до нескольких дней (и более)!
Прекрасную иллюстрацию эффекта МакКоллоу находим у Барлоу и Мол
лона (1982).
Пространственночастотная адаптация
Пространственночастотную адаптацию можно наблюдать, исследуя
рис. 8.5: адаптируйтесь по рисунку 8.5 (а), на однудве минуты сосредоточив
взгляд на горизонтальной полоске. Дабы избежать появления постобразов, не
фиксируйтесь на отдельной точке, а все время скользите взглядом по полоске.
По завершении периода адаптации переведите взгляд на черную точку в центре
рисунка 8.5 (b): вам будет казаться, что левая комбинация полос рисунка 8.5 (b)
имеет меньшую пространственную частоту, чем правая, хотя левый и правый
комплекты полос физически одинаковы. Отличие в восприятии после адапта
ции по рис. 8.5 (а) вызвано работой механизмов, чувствительных к стимулам
различных пространственных частот. Если адаптироваться по стимулам высо
191
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
(а)
(b)
Рис. 8.5 Решетки стимулов, иллюстрирующие пространственночастотную адаптацию.
В течение 60 сек. смотрите на черную полоску верхнего рисунка (а), а затем зафиксируйте
взгляд на черной точке нижнего рисунка (b). Обратите внимание на восприятие пространствен
ных частот в левом и правом наборе стимулов.
кой пространственной частоты, то все прочие стимулы будут восприниматься
с меньшей пространственной частотой, и наоборот. Короче говоря, пространст
венночастотная адаптация — это функция клеток коры головного мозга, се
лективно реагирующих на стимулы с разными пространственными частотами.
Адаптация к движущимся стимулам
Адаптация к движущимся стимулам свидетельствует о подобных процес
сах, происходящих во времени. Пример адаптации к движущимся стимулам
мы наблюдаем, когда смотрим титры в конце кинофильма (или двигаем текст
на экране компьютера): если в течение нескольких минут следить за ползущи
ми вверх титрами, то можно заметить, что финальная строка, застывшая на эк
ране, воспринимается как движущаяся вниз (и неподвижная одновременно!).
Данный эффект возникает потому, что корковые механизмы, отвечающие за
восходящее движение, адаптировались к нему, пока шли титры. Когда движе
ние прекращается, реакция механизмов, отвечающих за восходящее и нисхо
дящее движения, должна быть обнулена, но адаптированные (то есть утомлен
ные) «восходящие» механизмы не сразу реагируют так, как должны, и в ре
зультате неподвижный текст воспринимается движущимся вниз.
Адаптацию к движущимся стимулам иногда можно наблюдать после долгой
езды на автомобиле по шоссе: зрительная система адаптируется к встречному
движению и затем, когда машина останавливается, некоторое время кажется,
что весь внешний мир движется назад (тогда как реального движения нет).
Обсуждавшиеся выше примеры кортикальной адаптации приводят к сле
дующему логическому заключению: если в зрительной системе существуют
адаптационные механизмы столь высокого уровня, то, наверное, также суще
ствуют и когнитивные механизмы адаптации? Ответ на этот вопрос — ниже.
8.3 СЕНСОРНЫЕ И КОГНИТИВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Велик соблазн убедить себя в том, что хроматическая адаптация — это лишь
сенсорный механизм, автоматически реагирующий на изменения в конфигу
рации стимулов. Однако со всей ясностью показано, что хроматическая адапта
ция зависит в том числе от нашего знания объектов и характера освещения
(Фершильд 1992, 1993). То есть, мы говорим о существовании когнитивных ме
ханизмов адаптации.
Итак, механизмы хроматической адаптации можно разделить на два класса:
Сенсорные — автоматически реагирующие на энергию стимула.
Когнитивные — реагирующие на основании знания наблюдателем содержи
мого сцены.
Сенсорные механизмы
Сенсорные механизмы хроматической адаптации хорошо известны и широ
ко обсуждаются в научной литературе по зрению и цветовому восприятию.
В целом, полагают, что физиология этих механизмов состоит в контроле чувст
192
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
вительности фоторецепторов и нейронов на первых стадиях работы зрительной
системы, о чем говорилось ранее. Самые современные теории и самые совре
менные модели сенсорной хроматической адаптации уходят корнями в работу
фон Криза, который в 1902 г. писал:
«...отдельные компоненты органа зрения полностью независимы друг от дру
га, и каждый утомлен или адаптирован исключительно в рамках своей функ
ции».
С высоты сегодняшнего знания слова фон Криза звучат не очень корректно,
но самоя концепция, несомненно, точна и дает понимание сути. Сегодня тезис
о том, что хроматическая адаптация частично реализуется за счет нормировки
колбочковых сигналов, известен как закон фонкризовских коэффициентов, ко
торый лежит в основе всех современных моделей хроматической адаптации и мо
делей цветового восприятия.
Когнитивные механизмы
Когнитивные механизмы периодически обсуждаются на страницах науч
ных изданий, но поскольку числовое описание когнитивных эффектов затруд
нено, о них говорят мало и их четкой теории не существует. Чтобы лучше по
нять смысл механизмов когнитивной хроматической адаптации, уместно про
цитировать тех, кто упоминал об этих механизмах в течение последних двух ве
ков.
Гельмгольц в своем трактате по физиологической оптике (1866) высказался
о цветовом восприятии объектов следующим образом:
«Мы привыкаем оценивать цвет предмета так, будто бы он освещен белым
светом; но поскольку нас интересует только цвет — мы не осознаем ощуще
ний, на которых основано наше суждение».
Геринг (1920) — автор оппонентной теории цветового зрения, выдвинул
концепцию памятных цветов:
«Все объекты, уже знакомые нам по опыту, или те, о которых мы говорим,
что хорошо знаем их цвет, — мы видим через призму нашей цветовой памя
ти».
Джадд (1940), который внес неоценимый вклад в науку о цвете, говорит
о двух видах механизма хроматической адаптации:
«Процессы, посредством которых наблюдатель адаптируется к осветите
лю или нивелирует большинство эффектов, связанных с источником неднев
ного света, очень сложны, и известно лишь то, что они частично ретиналь
ны, частично кортикальны».
Эванс (1943), автор монографий и лекций по многим аспектам цветной фото
графии и цветового восприятия, высказал соображение о том, почему цвета на
фотоотпечатках выглядят вполне приемлемо:
«<...>в повседневной жизни мы привыкли считать цвет большинства объек
193
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
тов неизменным благодаря большей склонности человека к запоминанию цве
тов, нежели к непосредственному цветовому восприятию».
Джеймсон и Гурвич (1989) говорят о ценности множественных механизмов
хроматической адаптации, обеспечивающих получение важных данных об из
менениях в окружающей обстановке (например, погоде, времени суток, харак
тере освещения), а также получение информации о постоянных физических
свойствах объектов сцены.
И наконец, Давыдов (1991) опубликовал монографию о когнитивных аспек
тах цветового восприятия и распознавания объектов.
Твердая копия и экранное отображение
Как уже было сказано, хроматическая адаптация очень сложна и реализует
ся за счет сенсорных и когнитивных механизмов. Помнить об этих двух типах
механизмов при просмотре изображений на экранах мониторов чрезвычайно
важно. Если изображение репродуцировано на носителе, сходном с оригина
лом, и рассматривается в аналогичных условиях, то можно без опаски предпо
ложить, что механизмы хроматической адаптации, активизирующиеся как
при просмотре оригинала, так и при просмотре его репродукции, — сходны. Но
что происходит, когда оригинал выполнен на одном носителе, например, на эк
ране монитора, а его репродукция — это твердая копия?
Ряд экспериментов, количественно описывающих составляющие хромати
ческой адаптации (Фершильд, 1992, 1993), показал, что часть механизмов, ко
торые активны при рассматривании твердой копии (или реальной сцены), не
активны при рассматривании экранных изображений.
Когда мы смотрим на твердую копию, изображение воспринимается как
объект, освещенный превалирующим светом, то есть активны механизмы обе
их категорий: сенсорные, отвечающие на спектральное распределение энергии
стимула, и когнитивные, обесцвечивающие источник освещения. Изображе
ние на экране не может интерпретироваться как освещенный объект, следова
тельно, у нас нет осветителя с «известным» цветом и активны только сенсор
ные механизмы адаптации.
В сказанном можно убедиться, если посмотреть на лист белой бумаги под
светом лампы накаливания и сравнить возникшее ощущение с ощущением от
равномерного белого поля на экране CRT (или LCD) дисплея, настроенного на
точно такие же цветность и яркость и находящегося в темной комнате. Бумага
будет восприниматься белой или слегка желтоватой. Экран будет восприни
маться желтым с относительно высокой насыщенностью. Если, к примеру, ос
ветить бумагу светом самого дисплея, то бумага опять будет восприниматься
белой, а экран будет оставаться желтым!
Модели цветового восприятия, такие, как RLAB, модель Ханта, CIECAM02
включают в себя механизмы, в той или иной степени учитывающие эффект ког
нитивного обесцвечивания осветителя.
194
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Временной аспект адаптации
Наряду со всем сказанным выше о хроматической адаптации очень важным
является ее временной аспект, который в контексте оценки цветового воспри
ятия подробно исследован Фершильдом и Ленни (1992), а также Фершильдом
и Ренифф (1995). Результаты исследования показали, что через 60 секунд по
сле смены цветности адаптирующего освещения (при его постоянной интенсив
ности) сенсорные механизмы хроматической адаптации реализуются на 90%.
Полагают, что при экспертной оценке цвета общее правило таково: к оценке
следует приступать только по истечении шестидесяти секунд, поскольку это
минимальный отрезок времени, необходимый для адаптации к данным усло
виям просмотра. Адаптация проходит чуть медленнее, когда вместе с цветно
стью источника меняется и его яркость (Хант, 1950).
Когнитивные механизмы адаптации основаны на нашем знании конфигура
ции стимула и последующей интерпретации этого знания. Таким образом,
можно утверждать, что когнитивные механизмы адаптации срабатывают
мгновенно — как только мы получаем нужные данные. Однако в некоторых
эксклюзивных просмотровых ситуациях время, необходимое для интерпрета
ции сцены, может быть очень большим, а иногда — бесконечным.
8.4 СОГЛАСОВАННЫЕ ЦВЕТОВЫЕ СТИМУЛЫ
Наиболее доступными визуальными данными о хроматической адаптации
являются данные о т.н. согласованных цветовых стимулах.
ð
Согласованные цветовые стимулы — это два стимула, предъявляемые
в разных условиях просмотра, но соответствующие друг другу по ощу
щению.
К примеру, стимул, описанный трехстимульными значениями X
1
Y
1
Z
1
,
предъявленный в одних условиях просмотра, может восприниматься точно так
же, как второй стимул, описанный значениями X
2
Y
2
Z
2
и предъявленный в дру
гих условиях просмотра. X
1
Y
1
Z
1
и X
2
Y
2
Z
2
в совокупности с соответствующими
спецификациями условий просмотра несут информацию о паре согласованных
цветовых стимулов. Важно отметить, что значения X
1
Y
1
Z
1
и X
2
Y
2
Z
2
крайне
редко бывают идентичными.
Данные о согласованных цветовых стимулах можно получить с помощью
множества экспериментальных методов. Некоторые из них мы кратко опишем
ниже.
Асимметричное соответствие
Поскольку для получения пакета данных о согласованных цветовых стиму
лах требуется визуальное соответствие в разных условиях просмотра, то такие
визуальные эксперименты часто называют экспериментами по асимметрично
му соответствию.
Отметим, что классические цветовые равенства получают непосредственно,
195
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
то есть сравнивая два стимула, что называется, «сторонка к сторонке». Однако,
коль скоро требуются разные условия просмотра, такая методика неосуществи
ма, если не сделаны некие упрощающие допущения. Возможно, наиболее изящ
ным примером таких допущений является эксперимент МакАдама (1961), в ко
тором отличия в условиях просмотра создавались на уровне сетчатки.
В эксперименте МакАдама две разных области сетчатки (левая и правая по
ловины) экспонировались различными адаптирующими стимулами, а затем
предъявлялись тестовый и уравнивающий стимулы — каждый на своей поло
вине поля зрения. Данный метод требует допущения, что адаптация каждой из
половин сетчатки подобна адаптации, характерной для нормальных условий
просмотра. Данное допущение, вероятнее всего, ошибочно, и описанная техни
ка, носящая название «дифференциальноретинальной», сегодня представля
ет собой лишь историческую ценность.
Гаплоскопическое соответствие
Следующий класс экспериментов — эксперименты по получению т.н. гапло
скопического соответствия, при которых один глаз адаптирован к одним усло
виям, а другой — к другим. Одному глазу предъявляется тестовый стимул,
а уравнивающий — другому. Гаплоскопические эксперименты требуют допу
щения, что адаптация проходит по каждому глазу в отдельности. Такое допу
щение соответствует сенсорным механизмам, но, разумеется, не соответствует
когнитивным. Некоторые преимущества и недостатки гаплоскопических экс
периментов в исследовании цветового восприятия описаны Фершильдом и кол
легами (1994).
Хант (1952) приводит пример одного из классических гаплоскопических ис
следований, а Бренеман (1987) описывает хитроумную установку для получе
ния гаплоскопических соответствий. Масштабное исследование с использова
нием гаплоскопического просмотра предметных цветовых стимулов
1
выполне
но Японской Цветовой Научной Ассоциацией (Color Science Association of
Japan) (Мори и колл., 1991).
Согласование по памяти
Для того чтобы уйти от дифференциальноретинального или гаплоскопиче
ского методов, нужно пожертвовать точностью прямого сравнения в обмен на
более реалистичные условия просмотра. Данному требованию отвечает метод
согласования по памяти. При согласовании по памяти наблюдатели устанавли
вают соответствие между запомненным стимулом, наблюдавшимся в одних ус
ловиях просмотра, со стимулом, наблюдаемым в других условиях.
Хельсон, Джадд и Уоррен (1952) использовали различные варианты согласо
вания по памяти, при которых наблюдатели присваивали манселловские коор
196
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
1
То есть несамосветящихся стимулов, полученных за счет отражения света от неких объек
тов. — Прим. пер.
динаты различным цветовым стимулам, то есть сравнивали стимулы с мансел
ловскими образцами, запомненными при стандартных условиях просмотра.
Райт (1981) для изучения хроматической адаптации предложил исключи
тельно удобный метод сравнения по ахроматической памяти (согласование по
серому ощущению), который широко использовался для получения различ
ных данных о согласованных цветовых стимулах (Фершильд, 1990, 1991,
1992, 1993).
Величинная оценка
Еще один метод, реализуемый в естественных условиях просмотра, — это
метод величинной оценки. При величинной оценке наблюдатели присваивают
своему ощущению значения по различным атрибутам восприятия: светлоте,
насыщенности и цветовому тону или по субъективной яркости, полноте цвета
и цветовому тону. То есть такие эксперименты вполне могут снабдить нас ин
формацией о цветовом восприятии на уровне данных о согласованных цвето
вых стимулах.
О серии масштабных экспериментов по величинной оценке сообщил Луо
(1991), а позднее сведения были подытожены Луо и Хантом (1994).
Сравнения по разным носителям
Браун и колл. (1996) опубликовали отчет о серии масштабных эксперимен
тов по сравнению изображений, воспроизведенных на разных носителях, при
различных методах просмотра, и пришли к выводу, что метод согласования по
краткосрочной памяти дает самые достоверные результаты. Стоит отметить,
что исследование Брауна и колл. (1996) свидетельствует о непредсказуемости
цветового восприятия в широко распространенной практике одновременного
сравнения отражающих отпечатков с изображением на экране CRTмониторов
(то есть прогноз соответствия изображений при раздельном просмотре не оп
равдывается).
***
Какие выводы мы можем сделать из результатов описанных выше экспери
ментов? На рис 8.6 показаны данные о согласованных цветовых стимулах, полу
ченные в исследовании Бренемана (1987): кружками отмечены цветности сти
мулов при адаптации по D65осветителю, которые соответствуют согласован
ным цветностям при адаптации по Аосветителю (отмечены треугольничками).
Приведенные данные могут быть смело истолкованы как пары согласованных
цветовых стимулов, отражающих соответствие по параметрам светлотынасы
щенности при переходе из одних условий просмотра к другим. Поясним: светло
та и насыщенность — это доминирующие параметры восприятия при интуитив
ной оценке неизолированных цветовых ощущений. С таким допущением дан
ные о согласованных цветовых стимулах можно использовать для:
— тестирования модели цветового восприятия (взяв при этом набор значе
ний по первым условиям просмотра);
197
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
— использования модели для прогнозирования соответствий по светло
тенасыщенности (при вторых условиях просмотра);
— сравнения прогнозов с результатами визуальной оценки.
Тот же вид тестирования может быть выполнен в отношении упрощенной
модели, известной как модель смены хроматической адаптации (Chromatic
Adaptation Transform — CAT).
Модель смены хроматической адаптации не включает в себя величин, кор
релирующих с атрибутами цветового восприятия, такими как светлота, насы
щенность и цветовой тон: она лишь преобразует трехстимульные значения сти
мула при одних условиях просмотра в соответствующие трехстимульные зна
чения при других условиях.
8.5 МОДЕЛИ
Как уже было сказано в предыдущем разделе, модель хроматической адап
тации позволяет прогнозировать данные по согласованным цветовым стиму
лам. В общем виде модель хроматической адаптации может быть выражена
уравнениями 8.1–8.3:
LfLL
aнабелый
= ( , , ...)
(8.1)
MfMM
aнабелый
= ( , , ...)
(8.2)
SfSS
aнабелый
= ( , , ...)
(8.3)
198
ГЛАВА 8 ХРОМАТИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ
Рис. 8.6 Пример данных о согласованных цветовых стимулах при переходе от адаптации по ис
точнику с цветностью D65осветителя (кружки) к адаптации по источнику с цветностью
Аосветителя (треугольнички). Вычерчено по u`v`диаграмме цветностей.