Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
Темновая адаптация
Темновая адаптация имеет отношение к изменению зрительной чувстви
тельности, возникающему тогда, когда преобладающий уровень освещения по
нижается, к примеру, когда солнечным днем входят в кинотеатр: вначале он
кажется совершенно темным, но спустя несколько минут каждый становится
способным ясно различать предметы — проходы, места, зрителей. Так проис
ходит потому, что зрительная система отвечает на недостаток освещения повы
шением своей чувствительности, становясь способной к адекватному визуаль
ному ответу при низком уровне освещения.
На рис. 1.14 показано восстановление зрительной чувствительности (умень
шение порога) после перехода от чрезвычайно высокого уровня освещения
к полной темноте: колбочки постепенно повышают свою чувствительность,
пока уровни кривой (по прохождении нескольких минут) не выровняются. За
тем, в течение приблизительно 10ти минут, зрительная чувствительность ос
тается в целом постоянной. На следующем этапе палочковая система, у кото
рой довольно долгий период восстановления, возвращается к достаточной чув
ствительности, начинает доминировать над колбочками и таким образом берет
под свой контроль всю чувствительность зрения. Чувствительность палочек
продолжает повышаться в течение примерно 30 минут, точнее, до тех пор пока
это повышение еще можно зафиксировать.
Вспомним, что пятикратного увеличения диаметра зрачка недостаточно
для того, чтобы обеспечить зрение в большом диапазоне уровней освещения,
с которым мы обычно сталкиваемся, и поэтому нейронные механизмы часть
адаптации берут на себя.
Механизмы, отвечающие за различные виды адаптации, следующие:
— истощение и регенерация фотопигмента;
— палочковоколбочковый переход;
49
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
0102030
0
1
2
3
4
5
Время после экспозиции
слепящимбелымсветом(мин)
Рис. 1.14 Кривая темновой адаптации, демонстрирующая восстановление порога после экспо
зиции ярким белым светом. Излом кривой иллюстрирует момент, когда палочки становятся
более чувствительными, нежели колбочки.
— контроль усиления в рецепторах и других клетках сетчатки;
— вариативность регионального объединения между рецепторами;
— пространственная и временная оппонентность;
— контроль усиления в оппонентных и других высокоуровневых механиз
мах;
— нейронный откат;
— компрессия ответа;
— когнитивная интерпретация.
Световая адаптация
Световая адаптация — по существу это процесс, обратный темновой адап
тации, который, однако, поскольку его зрительные свойства иные, важно разо
брать отдельно. Световая адаптация происходит, когда мы покидаем полумрак
кинотеатра и выходим на залитую солнцем улицу: в этом случае зрительная
система, дабы обеспечить адекватность восприятия, должна понизить свою
чувствительность, поскольку теперь в распоряжении зрения значительно боль
шее количество визуальной энергии.
Световую адаптацию обслуживают те же самые физиологические механиз
мы, но они ассиметричны в прямой и обратной кинетике: необходимый резуль
тат световой адаптации достигается за 5 минут, а не за 30.
Рис. 1.15 демонстрирует ценные свойства световой адаптации. Зрительная
система имеет ограниченный динамический диапазон выходных сигналов
(скажем, 100:1), определяющий наше восприятие, но в реальных сценах раз
брос уровней освещения может десятикратно превышать разницу между звезд
ной ночью и солнечным днем (к счастью, почти никогда не возникает необходи
50
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.15 Иллюстрация процесса световой адаптации с помощью масштабирования большого
диапазона интенсивностей стимулов в относительно малый динамический диапазон ответов:
сплошные кривые демонстрируют семейство адаптационных ответов; пунктирная кривая по
казывает гипотетический безадаптационный ответ.
мости рассматривать чтолибо при полном диапазоне уровней освещения).
Если для масштабирования большого диапазона интенсивностей стимулов
в выходные сигналы зрительной системы использована единичная функция
ответа, то для отдельно взятой сцены будет использован лишь малый диапазон
выходных сигналов. Такой ответ показан пунктирной линией на рис. 1.15,
и ясно, что при такой функции ответа воспринимаемый контраст какойлибо
отдельно взятой сцены будет ограничен и чувствительность зрения к изменени
ям будет сильно снижена изза проблемы «полезный сигнал/шум». С другой
стороны, световая адаптация служит созданию целого семейства кривых зри
тельного ответа, что на рис. 1.15 демонстрируется сплошными линиями. Эти
кривые масштабируют используемый диапазон освещенностей отдельно взя
той сцены в полный динамический диапазон зрительного ответа, что оптими
зирует визуальное восприятие в той или иной ситуации.
О световой адаптации можно говорить как о процессе скольжения кривой
зрительного ответа вдоль оси уровней освещения (рис. 1.15), которое длится до
тех пор, пока не будет достигнут оптимальный уровень для данных условий
просмотра.
Световая и темновая адаптации в целом аналогичны автоматическому кон
тролю экспозиции в фотографических системах.
Хроматическая адаптация
Третий тип адаптации, тесно связанный с двумя предыдущими, — адапта
ция хроматическая. Полагают, что за хроматическую адаптацию отвечают
физиологические механизмы, сходные с вышеописанными механизмами све
товой и темновой адаптаций. Хроматическая адаптация — это во многом неза
висимое управление чувствительностью трех механизмов цветового зрения,
что схематично иллюстрирует рис. 1.16: мы видим, что полная высота каждой
51
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.16 Схематичная иллюстрация процесса хроматической адаптации как независимой ре
гулировки чувствительности трех типов колбочек.
из трех кривых спектральной чувствительности колбочек может меняться са
мостоятельно, но, несмотря на то, что хроматическую адаптацию чаще всего
толкуют и моделируют как независимый контроль чувствительности колбо
чек, нет никаких оснований полагать, что за хроматическую адаптацию не от
вечают оппонентные и прочие цветовые механизмы.
Хроматическую адаптацию можно наблюдать при рассматривании белого
объекта при разных вариантах освещения (например, листа бумаги при днев
ном освещении, флуоресцентном или при свете ламп накаливания). Дневной
свет содержит относительно большее количество коротковолновой энергии,
чем свет флуоресцентный, а свет ламп накаливания относительно большее ко
личество длинноволновой энергии, чем свет флуоресцентных ламп, — однако
в целом бумага воспринимается белой под всеми этими источниками. Так про
исходит потому, что Sколбочковая система становится относительно менее
52
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.17 Пример сетчаточнолокализованной хроматической адаптации. На 30 секунд зафик
сируйте взгляд на черной точке между голубой и желтой областями, а затем переведите взгляд
на белую точку в центре нижнего изображения. Обратите внимание на то, что после адаптации
нижнее изображение начинает восприниматься однородным.
Оригинал взят с Kodak Photo Sampler PhotoCD.
чувствительной под дневным светом, дабы компенсировать дополнительную
коротковолновую энергию, а Lколбочковая система становится относительно
менее чувствительной при свете ламп накаливания, дабы компенсировать до
полнительную длинноволновую энергию. О хроматической адаптации можно
говорить как об аналогии с автоматическим балансом белого в видеокамерах.
Рис. 1.17 демонстрирует хроматическую адаптацию: половины поля зрения
на иллюстрации организованы так, что задают уровни хроматической адапта
ции, несовместимые между собой.
Учитывая фундаментальную важность хроматической адаптации в модели
ровании цветового восприятия, она подробнее будет описана в главе 8.
Механизмы зрения, влияющие на цветовое восприятие
Существует ряд важных когнитивных механизмов зрения, влияющих на
цветовое восприятие: цветовая память, цветовая константность, распознава
ние объектов и т.н. когнитивное обесцвечивание осветителя (discounting the
color of an illuminant). Детально они описаны в главах 6–8.
Цветовая память относится к феномену, суть которого в том, что распозна
ваемые объекты имеют некий прототип цвета, связанного с этими объектами,
к примеру: большинство людей помнят типичный цвет зеленой травы и в экс
периментальных условиях могут воссоздать стимул этого цвета, если таковое
потребуется. Любопытно, что цветовая память зачастую искажена в отноше
нии конкретных объектов: все та же зеленая трава и синее небо, как правило,
помнятся более насыщенными, нежели их фактические стимулы.
Цветовая константность относится к повседневному восприятию, при
котором цвета объектов остаются неизменными даже при существенных изме
нениях в цвете освещения и уровне яркости. Цветовая константность обеспечи
вается механизмами хроматической адаптации и памятными цветами, но при
тщательном наблюдении можно показать, что она очень слаба.
Распознавание объектов — это общая реакция на пространственные, вре
менные и светлотнотемновые свойства объектов, но не на их хроматические
свойства (Давыдов, 1991).
Когнитивное обесцвечивание осветителя относится к способности наблю
дателя автоматически интерпретировать условия освещения и воспринимать
цвета объектов после ментальной нивелировки цвета источника освещения.
Таким образом, как только объекты оказываются распознанными, механиз
мы цветовой памяти и когнитивного обесцвечивания осветителя могут присво
ить им соответствующий цвет. Эти механизмы имеют радикальное влияние на
цветовое восприятие и становятся критически важными, когда выполняется
цветовое сравнение на разных носителях.
Понятно, что обработка визуальной информации чрезвычайно сложна
и полностью еще не изучена (и не факт, что будет изучена), но в то же время ин
тересно попытаться проследить повышение сложности корковых зрительных
ответов по мере прохождения сигнала по зрительной системе.
Электрофизиологические исследования единичных клеток помогли обнару
жить кортикальные клетки с чрезвычайно сложной реакцией на стимулы,
53
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
к примеру: у обезьян были обнаружены клетки, отвечающие только на изобра
жение обезьяньих лап или мордочек. Существование таких клеток ставит во
прос: до какой степени сложен ответ от одной клетки? Очевидно, что для каж
дого вида восприятия не существует персональной клетки, поэтому в какойто
момент в зрительной системе восприятие строится на комбинациях различных
сигналов, обеспечивающих различные виды восприятия. Такое построение
дает возможность инвариантности восприятия, в частности — цветового. Оче
видно, что на цветовое восприятие влияет большое число вариаций стимула и
что наша зрительная система часто «экспериментирует» с ними.
1.5 ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ СВОЙСТВА
ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ
Исследование зрительного опыта не может быть изолированным. Цветовое
восприятие стимула зависит от пространственных и временн
¢
ых характеристик
этого стимула: к примеру, чернобелый стимул, мерцающий с определенной
частотой, может восприниматься весьма красочным.
Пространственные и временн
¢
ые характеристики человеческой зрительной
системы обычно исследуют через измерение т.н. контрастносенситивных
функций. Контрастносенситивные функции (CSF) в науке о зрении аналогич
ны модуляционнотрансферным функциям (MTF) в науке об изображениях,
однако CSF нельзя приравнивать к MTF, поскольку, вопервых, человеческая
зрительная система крайне нелинейна, и вовторых, CSF представляют порого
вую чувствительность, а не надпороговую модуляцию.
Контрастносенситивная функция определяется порогом ответа на кон
траст (чувствительность обратна порогу) как функция пространственной или
временн
¢
ой частоты. О контрасте обычно говорят как об отношении разности
между максимальной и минимальной яркостями стимула к их сумме. CSF как
правило измеряются с использованием стимулов, интенсивность которых си
нусоидально меняется в пространстве и времени, поэтому однородный образец
имеет нулевой контраст, а неравномерные образцы, в которых яркость некото
рых участков падает до ноля, имеют контраст равный 1.0 независимо от того,
какова их общая яркость.
Рис. 1.18 схематично иллюстрирует типичные контрастносенситивные
функции яркостного (чернобелый стимул) и хроматического (краснозеленый
и желтосиний стимулы при постоянной яркости) контрастов. Яркостная конт
растносенситивная функция имеет полоснопропускающий характер с пиком
чувствительности в районе 5 полос на градус и приближается к нолю при отсут
ствии полос, иллюстрируя тем самым тенденцию зрительной системы к нечув
ствительности в отношении однородных полей. Функция также стремится
к нолю начиная с частоты примерно в 60 полос на градус — с этого момента де
тали уже не могут быть распознаны оптикой глаза или мозаикой фоторецепто
ров. Полоснопропускающая контрастносенситивная функция коррелирует
с концепцией центраокружения антагонистичных рецептивных полей, кото
54
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
рые максимально чувствительны к промежуточным значениям пространствен
ной частоты.
Хроматические механизмы имеют низкую частоту пропускания и значи
тельно меньшие граничные частоты, что затрудняет использование хроматиче
ской информации о тонких деталях (высоких пространственных частотах). По
следнее на руку системам кодирования изображений и схемам их сжатия
(к примеру, NTSC или JPEG).
Низкочастотные характеристики хроматических механизмов указывают
и на то, что краевая детекция/усиление не проходят по данной частотной кате
гории восприятия: синежелтая хроматическая CSF имеет меньшую гранич
ную частоту, нежели краснозеленая CSF вследствие нехватки в сетчатке
Sколбочек. Отметим также, что яркостная CSF ощутимо выше, нежели обе
хроматические, что указывает на большую чувствительность зрительной сис
темы к малейшим изменениям в яркостном контрасте, нежели в контрасте хро
матическом. Пространственные яркостная и хроматическая CSF не участвуют
непосредственно в цветовом восприятии, хотя и оказывают на него существен
ное влияние. Жанг и Ванделл в 1996 г. опубликовали интересную методику
внедрения этих типов ответов в вычисление цветового пространства CIELAB,
а Джонсон и Фершильд (2003) предложили новейшую версию данной модели.
Рис. 1.19 иллюстрирует пространственные свойства цветового зрения и про
странственный анализ типичного изображения. На рис. 1.19 (а) показан ориги
нал. Яркостная информация представлена отдельно на рис. 1.19 (b). Остаточ
ная хроматическая информация представлена отдельно на рис. 1.19 (с). Оче
видно, что гораздо больше пространственных деталей может быть визуально
получено из яркостного изображения нежели из остаточного хроматического:
на рис. 1.19 (d) показано изображение, восстановленное с использованием яр
55
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.18 Пространственные контрастносенситивные функции яркостного и хроматического
контрастов.
костного изображения полного разрешения, объединенного с хроматическим
изображением, подвергнутым субссэмплингу с коэффициентом 4. Такой спо
соб сжатия изображения не вызывает потерь в восприятии деталей или цвето
вом восприятии.
Рис. 1.20 схематично иллюстрирует типичные временн
¢
ые контрастно
сенситивные функции (для яркостного и хроматического контрастов), которые
имеют много общего с пространственными CSF, показанными на рис. 1.18.
И вновь яркостные временн
¢
ые CSF выше по чувствительности и граничной час
тоте, чем хроматические временн
¢
ые CSF, что демонстрируют их полоснопро
пускные характеристики. Временн
¢
ые CSF (так же как и пространственные) не
посредственно не включены в модели цветового восприятия, но их важно учи
тывать, когда идет просмотр движущихся изображений (таких, как цифровые
видеоклипы), которые могут воспроизводиться с различной экранной часто
той. Важно понимать, что функции, показанные на рис. 1.18 и 1.20, типичны,
но не универсальны.
Как уже было сказано, разные виды исследования человеческого зрительно
го восприятия не могут проводиться изолированно, поскольку пространствен
ные и временн
¢
ые CSF взаимодействуют друг с другом. Пространственная CSF,
измеренная при различных временн
¢
ых частотах, окажется чрезвычайно из
менчивой, и то же справедливо в отношении временн
¢
ой CSF, измеренной при
различных пространственных частотах. Эти функции также зависят от иных ва
риативных факторов, таких, как уровень яркости, размер стимула, ретиналь
ный локус. Подробности по данным взаимодействиям см. у Келли (1994).
56
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.19 Иллюстрация пространственных свойств цветового зрения: (а) оригинальное изобра
жение; (b) только яркостная информация; (c) только хроматическая информация; (d) реконст
рукция изображения за счет объединения яркостной информации полного разрешения с хро
матической информацией, подвергнутой субсэмплингу с коэффициентом 4.
Оригинал взят с Kodak Photo Sampler PhotoCD.
Эффект наклона
Интересным феноменом пространственного зрения является т.н. эффект
наклона, который состоит в том, что при восприятии решеток, ориентирован
ных под углом 0° и 90° (относительно линии, соединяющей глаза), острота зре
ния выше, чем при восприятии решеток, ориентированных под углом 45°. Дан
ный феномен наблюдают при создании наклонных полутоновых растров, кото
рые устанавливают так, чтобы наиболее заметные элементы были наклонены
под углом 45°. Этот эффект можно проследить, если взять чернобелое полуто
новое газетное изображение и менять дистанцию просмотра до тех пор, пока
растровые точки не станут едва заметными. Если изображение зафиксировать
на этом расстоянии, а затем повернуть на 45°, растровые точки станут четко
различимыми (поскольку окажутся сориентированными под углом 0° или 90°).
CSF и движения глаза
Пространственные и временн
¢
ые CSF тесно связаны с движением глаз: стати
ческий пространственный образец становится динамическим, когда взгляд на
блюдателя начинает скользить по стимулу. Отметим, что и пространственная,
и временн
¢
ая яркостные CSF стремятся к нулю, когда к нулю стремится соответ
ствующая частота, и из этого следует, что полностью статичный стимул неви
дим. В самом деле, если зафиксировать изображение на сетчатке с помощью
специальной видеосистемы, закрепленной на глазном яблоке, то восприятие
стимула исчезает через несколько секунд (Келли, 1994). Иногда это явление
можно наблюдать, тщательно зафиксировав взгляд на какомлибо предмете, —
через несколько секунд периферийные объекты начинают исчезать (централь
ный объект при этом не исчезает, поскольку колебания даже сознательно удер
живаемого глаза все же больше, чем пространственная частота центральной
57
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.20 Временн
¢
ые контрастносенситивные функции яркостного и хроматического контра
стов.
ямки сетчатки). Чтобы избежать этого неприятного эффекта, наши глаза по
стоянно двигаются, то есть выраженные движения глаз необходимы для того,
чтобы видеть различные области в поле зрения при высоком пространственном
разрешении центральной ямки. Наряду с этим существуют мелкие глазные
движения (т.н. тремор глаз. — Прим. пер.), обеспечивающие комфортное зри
тельное восприятие окружающего мира. Сказанное выше объясняет то, поче
му тени от ретинальных клеток и кровеносные сосуды обычно невидимы — они
двигаются не по сетчатке, а вместе с сетчаткой.
Глазные движения через суммарную экспозицию разных областей сетчатки
оказывают существенное влияние на адаптацию и восприятие и необходимы
для сохранения визуального контраста. Новейшие технические достижения
позволили провести психофизические исследования данного эффекта (к при
меру, Бабкок и др. 2003).
1.6 АНОМАЛИИ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ
Существуют различные виды врожденных и приобретенных аномалий цве
тового зрения. Краткий, но всесторонний обзор данной темы предлагают Кай
зер и Бойнтон (1996), мы же в данном разделе остановимся лишь на основных
врожденных аномалиях.
Протанопия, дейтеранопия и тританопия
Некоторые аномалии цветового зрения вызваны недостатком специфиче
ского колбочкового фотопигмента. Трем типам колбочкового фотопигмента со
ответствуют три главных класса аномалий цветового зрения, а именно: прота
нопия, дейтеранопия и тританопия.
У наблюдателя, страдающего протанопией (протанопа), отсутствует пиг
мент в Lколбочках, и следовательно, не может быть реализован краснозеле
ный оппонентный механизм, в результате чего больной неспособен отличить
красноватые оттенки от зеленоватых.
У дейтеранопов отсутствует пигмент в Mколбочках, и поэтому, также изза
недостаточности краснозеленого оппонентного механизма, они не могут отли
чить красноватые оттенки от зеленоватых. Но все же протанопы и дейтеранопы
иногда способны отличить красноватый от зеленоватого за счет относительной
световой чувствительности, реализуемой путем суммирования сигналов от раз
личных видов колбочек. Заметим также, что функция протанопической свето
вой чувствительности смещена в сторону коротких длин волн.
У тританопов отсутствует пигмент в Sколбочках, а значит, изза недоста
точности желтосинего оппонентного механизма, они не могут отличить жел
товатые оттенки от синеватых.
Аномальные трихроматы
Существуют также аномальные трихроматы, которые хоть и обладают три
хроматическим зрением, но их способность различать специфические оттенки
58
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА