Восприятия яркости и цвета предметов

Данное явление выражается в общем или локальном уменьшении воспринимаемой величины насыщенности цветового тона при его длительном рассматривании и в одновременном возрастании видимой насыщенности дополнительного цвета.

Цветовой последовательный контраст проявляется в виде цветовых последовательных образов. Например, длительная фиксация красного квадрата приводит к тому, что наблюдатель видит затем некоторое время перед собой зеленоватый квадрат, смещающийся вместе с движениями глаз.

Еще И. В. Гёте обратил внимание на то, что цвета последовательных образов несколько отличаются от дополнительных, по сравнению с которыми они сдвинуты к краям спектра.

Цветовое тело

Все многообразие апертурных цветов, определяемых тремя рассмотренными характеристиками, можно представить в виде простой пространственной модели — цветового тела. Оно представляет собой двойную коническую пирамиду, по вертикальной оси которой происходит увеличение светлоты цвета. Каждое горизонтальное сечение цветового тела является цветовым кругом для данного уровня видимой яркости. Насыщенность цветового тона уменьшается при движении по радиусу цветового круга, в центре которого находится нейтральный серый цвет. Уменьшение радиусов цветовых кругов на концах цветового тела объясняется уменьшением насыщенности цветов при низких и высоких уровнях видимой яркости.

Вследствие того, что все цветовые тона, включая нейтральные, могут быть получены с помощью смешения трех основных цветов, на практике для описания цветов пользуются цветовым телом, сечение которого представляет собой не круг, а треугольник. На вершинах этого цветового треугольника находятся три основных цвета: красный, зеленый, синий.

На рис. 43 показан цветовой треугольник, принятый Международной осветительной комиссией (МОК) в качестве эталонного. Условные коэффициенты на осях Х и Y определяют координаты каждого цвета внутри цветового треугольника. Укажем координаты цветности некоторых цветов:

Рис. 42. Цветовое тело (см. текст).

Рис. 43. Цветовой треугольник МОК (см. текст).

Теории цветовых ощущений

Существуют две классические теории цветовых ощущений, называемые трехкомпонентной теорией и теорией противоцветов.

Первые идеи о трехкомпонентности цветового зрения были высказаны М. В. Ломоносовым в его "Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющем, июля 1 дня 1756 года, говоренном". Эта теория была детально разработана в XIX веке английским физиком Т. Юнгом и Г. Гельмгольцем.

Теория основана на предположении, что число различных рецепторов цвета в сетчатке должно быть невелико. Действительно, если предположить, что для каждого из воспринимаемых нами оттенков существует специальный рецептор, то в условиях монохроматического освещения работало бы меньше одного процента рецепторов и зрение должно было бы резко ухудшаться. Простые наблюдения показывают, что этого не происходит.

Так как все цвета могут быть получены с помощью смешения трех основных, то было сделано предположение, что в сетчатке существуют три типа рецепторов, чувствительных к синему (фиолетовому), зеленому и красному цветам.

Альтернативную теорию выдвинул Э. Геринг (1878)х). В основу теории противоцветов легли данные о подробно изученных им явлениях контраста, а также некоторые психологические наблюдения. Так, большинство людей выделяют в качестве основного "главного" цвета, помимо красного, зеленого и синего цветов, также и желтый. Э. Геринг считал, что в сетчатке находятся три цветочувствительных субстанции. Их разложение приводит к восприятию белого, зеленого и желтого цветов, а восстановление — соответственно к восприятию черного, красного и синего цветов.

Обе теории долгое время противопоставляли друг другу. Одной из областей, в которой их сторонники искали подтверждения своих взглядов, было исследование различных аномалий цветового зрения.

Нарушения цветового зрения встречаются приблизительно у 8% мужчин и 0,5% женщин. Эти нарушения, по крайней мере отчасти, являются наследуемыми. Было бы неправильно называть этих людей цветослепыми, так как лишь один исключительно редкий вид расстройства цветового зрения связан с полной неспособностью различать цветовые тональности. Люди с такими недостатками называются монохроматами. В этом случае все длины волн и все смеси различаются исключительно по своей светлоте.

Значительная часть нарушений цветового зрения связана с затруднениями в дифференциации красного и зеленого цветов. Особые трудности эти люди испытывают при различении таких цветов, как голубой и розовый. Трехкомпонентная теория, исходящая из существования трех первичных видов рецепторов, объясняет эту аномалию выпадением рецепторов, чувствительных к красному или зеленому цветам. И действительно, было обнаружено, что существуют две разновидности красно-зеленой слепоты. В опытах на получение желтого цвета одним из этих цветоаномалов требовалось гораздо больше красного, а другим — зеленого цвета, чем людям с нормальным зрением. Первая разновидность — нечувствительность к красному — была названа протанопией, а вторая — нечувствительность к зеленому — дейтеропией.

В пользу трехкомпонентной теории говорит, в свою очередь, существование слепоты на синий цвет, который путается в этом случае с зеленым. Это нарушение встречается почти столь же редко, как и полная цветослепота.

В то же время более детальные исследования показали, что красно-оранжево-желто-зеленая часть спектра преобразуется в восприятии цветоаномала не в оттенки зеленого (протанопия) или оттенки красного (дейтеропия), а в оттенки желтого цвета. Можно предположить, таким образом, что красно-зеленая слепота представляет собой дихроматическое желто-синее зрение. Этот факт в большей степени соответствует теории противоцветов Э. Геринга.

Аргументом в пользу теории противоцветов служат полученные на нормальных людях данные о порядке исчезновения цветового тона при перемещении стимулов в периферическое зрение. В этом случае первыми одновременно исчезают красные и зеленые цвета, от которых остается только желтый оттенок. Желтый и синий цветовые тона воспринимаются в более широкой области зрительного поля. Эти эффекты следует учитывать при использовании цветовой индикации.

Многочисленные доказательства как в пользу трехкомпонентной теории, так и в пользу теории противоцветов позволили Л. А. Орбели предположить, что справедливы обе теории. Однако каждая из них описывает закономерности переработки информации о цвете на различных уровнях зрительной системы. В последние годы детальное обоснование этой точки зрения было проведено американскими исследователями Л. М. Гурвичем и Д. Джемсон. На рис. 44 показана разработанная ими схема отношений между тремя светочувствительными субстанциями и четырьмя реципроктными процессами, лежащими в основе цветового зрения. Недавно были получены прямые нейрофизиологические доказательства справедливости этой модифицированной теории.

Прежде всего удалось показать, что в сетчатке действительно имеются три светочувствительных вещества. Один из самых тонких опытов в этой области был проведен английскими исследователями П. К. Брауном и Дж. Уолдом.

В их экспериментах миниатюрный пучок монохроматического света проецировался через зрачок на одиночные колбочки сетчатки испытуемого и с помощью микроспектрофотометра измерялось количество отраженного и вернувшегося через зрачок света. Было установлено, что существуют три типа колбочек, имеющих максимумы поглощения при 450, 525 и 535 нм.

Электрофизиологические опыты с микро-электродной регистрацией активности ганглиозных клеток сетчатки также говорят о существовании трех типов цветовых рецепторов. Шведский физиолог Р. Гранит показал, что возрастание активности нейронов возникает в ответ на освещение сетчатки синим, зеленым или красным светом (рис. 45).

Если исследования механизмов цветового зрения на уровне сетчатки подтверждают трехкомпонентную теорию, то исследования на более высоком уровне латерального коленчатого тела говорят в пользу теории противоцветов. Целый ряд работ, среди которых можно отметить исследования американского физиолога Р. Л. де Валуа и Е. Н. Соколова, показали, что на этом уровне наблюдаются реакции, оппонентного типа. Например, были найдены нейроны, увеличивающие активность в ответ на освещение сетчатки красным светом и уменьшающие ее в ответ на зеленый свет. Наряду с такими "красно-зелеными" элементами были найдены также "желто-синие" и "бело-черные" нейроны.

Таким образом, классические теории цветового зрения не исключают, а дополняют друг друга.

Все сказанное выше относилось к восприятию апертурных или непредметных цветов. Особенно важным является исследование восприятия яркости и цвета предметов.

Восприятия яркости и цвета предметов

С физической точки зрения, цвет предмета определяется его отражательной способностью и спектром поглощения.

Отражательной способностью или альбедо называется отношение отраженного поверхностью и падающего на нее света.

Диапазон возможных значений альбедо различных поверхностей сравнительно невелик. Так очень черная краска отражает 3% падающего на нее света, а самая лучшая белая — 80%. Поэтому максимальное отношение альбедо несветящихся предметов в зрительном поле никогда не превышает 30:1, тогда как отношение яркостей может достигать величин 1000:1 и выше.

Под спектром поглощения понимают отношение распределений поглощенного к падающему свету по всему видимому спектру частот.

Обе эти физические характеристики остаются постоянными при изменении освещения.

Большое значение для правильной ориентации в окружении имеет то обстоятельство, что и зрительная система воспринимает их как относительно неизменные константные свойства.

Большое значение для правильной ориентации в окружении имеет то, что и зрительная система человека, несмотря на изменчивость освещения воспринимает цвета предметов как неизменные константные свойства.

Рассмотрим проблему восприятия цвета предметов подробнее. Еще Э. Геринг обратил внимание на то, что уголь в солнечный день отбрасывает гораздо больше света, чем кусок мела в сумерки, и тем не менее мы воспринимаем уголь черным, а мел — белым. Константность восприятия цвета нельзя понять, если основываться на данных о восприятии апертурных цветов, определяемых излучаемым поверхностью светом. Рассмотренные механизмы восприятия апертурных цветов могли бы успешно провести локальный анализ спектрального состава отраженного поверхностью света, но они не могли бы, например, отличить желтый предмет, освещенный голубым светом неба, от зеленого предмета, освещенного прямым солнечным светом, так как распределение энергии в отраженном свете в этих двух случаях может быть одинаковым. С другой стороны, одни и те же предметы в разных условиях освещения (при дневном естественном свете, при электрической лампе накаливания и при оранжево-красном закате) отражают свет разного спектрального состава.

Неоднократно проводились эксперименты с целью количественного измерения величины константности цвета. Автором одних из первых таких экспериментов был австрийский психолог Э. Брунсвик (1929). Схема опыта и способ представления данных, примененные в работе Э. Брунсвика, до сих пор являются типичными не только для исследований константности цвета, но и для изучения других видов константности.

На определенном расстоянии перед испытуемым, сидевшим спиной к окну, предъявлялась карточка серого цвета, выполнявшая функции эталона. Затем на большем расстоянии показывалась серия карточек, окраска которых варьировала от светло-серого до темно-серого. Среди них испытуемый должен был найти карточку с такой же окраской, как и у эталона. Так как освещенность объектов меняется обратно пропорционально квадрату расстояния до источника света, в данном случае окна, то при объективном равенстве альбедо дальний объект отбрасывал значительно меньше света, чем эталон.

Когда альбедо эталонной и подобранной карточки совпадают (А=В), то коэффициент константности равен 100%. В том случае, когда оценки осуществляются исключительно на основе сравнения яркости (В=С), коэффициент константности равен нулю.

Результаты проведенного Э. Брунсвиком исследования показали, что коэффициент константности обычно равен 70%. Значимо превышающая нулевое значение константность наблюдается уже у детей трехлетнего возраста. Ее развитие продолжается до 10-12 лет.

Опыты с вырабатыванием поведенческих дифференцировок, проведенные на животных, показали, что у приматов и даже рыб константность восприятия цвета, как правило, выше, чем у человека. Возможно, это объясняется большим биологическим значением восприятия цвета предметов.

Каким же образом зрительная система обеспечивает константное восприятие цвета?

Авторы классических теорий константности цвета Э. Геринг и Г. Гельмгольц придерживались на этот счет различных точек зрения.

Э. Геринг считал, что константность объясняется первичным (врожденным) знанием истинного цвета предметов. На восприятие цвета, с этой точки зрения, влияет информация о цвете предмета, хранящаяся в памяти.

Г. Гельмгольц трактовал процесс восприятия цвета предмета по аналогии с процессом интеллектуального умозаключения, которое однако осуществляется бессознательно (см. стр. 11). По его мнению, наш мозг способен с помощью прошлого опыта учитывать освещенность предмета и на основании ощущаемой светлоты и цветового тона поверхности делать вывод о его альбедо и цвете.

Обе теории правильно подчеркивали роль прошлого опыта для восприятия цвета, но понимали его упрощенно, как знакомство с некоторым конкретным объектом. Против теории Э. Геринга говорит тот факт, что константность восприятия цвета не ухудшается, когда испытуемые оценивают цвет объекта, неизвестной им окраски.

Нельзя также полностью согласиться с объяснением Г. Гельмгольца, так как даже знание альбедо предмета не всегда приводит к правильному восприятию его окраски. Об этом говорят, в частности, опыты, проведенные немецким психологом А. Гельбом (1929).

Рис. 46. Схема опыта А. Гельба /по Г. Каниззе, 1966/.

На фоне белой стены слабо освещенной комнаты находился черный круг (рис. 46). Он ярко освещался скрытой от наблюдателя дуговой лампой. Тень от круга падала вне границ поля зрения наблюдателя. В этом случае он видел слабо освещенный белый круг на фоне темной стены. Однако достаточно было внести в освещенную дуговой лампой область полоску белой бумаги, как слабо освещенный белый цвет круга мгновенно превращался в сильно освещенный черный. Если полоска убиралась, вновь воспринимался белый круг. Таким образом, ни память на цвет, ни возможные умозаключения наблюдателя не влияли на восприятие цвета.

Для понимания результатов этого опыта следует учесть, что поскольку диапазон возможных значений альбедо различных поверхностей сравнительно невелик.

Так очень черная краска отражает 3% падающего на нее света, а самая лучшая белая — 80%. Поэтому максимальное отношение альбедо несветящихся предметов в зрительном поле никогда не превышает 30:1, тогда как отношение яркостей может достигать величин 1000:1 и выше.

В ситуации опыта А. Гельба у наблюдателя нет непосредственных данных о различиях в освещении комнаты и круга, которые могли бы быть получены при виде дуговой лампы или тени от круга. Поэтому, если круг отражает примерно в 30 раз больше света, чем стены комнаты, то он воспринимается находящимся на верхнем конце наибольшего возможного расстояния между белым и черным, а комната — на нижнем.

Когда в поле зрения наблюдателя появляется полоска белой бумаги, то возникает новое отношение яркостей. Так как при одном и том же освещении полоска примерно в 30 раз ярче, чем круг, испытуемый видит ярко освещенные белую и черную поверхности. Что касается стен комнаты, то они отражают почти в 30 раз меньше света, чем полоска бумаги и воспринимаются как белые при слабом освещении.

Из этого объяснения следует, что если скрытая лампа освещает не черный, а белый круг, то отношение яркостей в зрительном поле будет больше 30:1 и круг будет излучать больше света, чем это позволяет, с точки зрения зрительной системы наблюдателя, общая освещенность окружения. Как показали опыты, в этом случае круг на самом деле кажется светящимся.

Восприятие объектов в соответствии с их альбедо возможно благодаря оценке относительной яркости поверхностей находящихся в поле зрения наблюдателя.

Большое значение для константности восприятия цвета имеет также способность зрительной системы "вычитать" из отраженного объектами света общую световую составляющую. Обычно эта составляющая как раз соответствует цвету освещения.

В основе подобного "вычитания" лежит работа механизмов цветовой адаптации и цветового контраста.

Благодаря их действию доминирующий цвет зрительного поля постепенно теряет насыщенность, приближаясь к нейтральному, и соответственно возрастает насыщенность цвета предметов. Оценки локальных цветов осуществляются по отношению к этому новому нейтральному уровню.

Как правило, указанная структура перцептивного действия оценки цвета предметов ведет к его константному восприятию. Однако, как и в случае других видов константности, эти операции в специальных условиях могут приводить к иллюзорному восприятию цвета. Примером этого служат эксперименты К. Коффки (1935).

На стене комнаты, освещенной окрашенным светом, укреплен серый круг К₁ (рис. 47). Через отверстие в стене виден другой такой же круг К₂, находящийся в комнате с нормальным освещением. В этих условиях К₁ воспринимается серым, a К₂ — окрашенным дополнительно к цвету освещения в первой комнате. Иными словами, цвет первого круга воспринимается константно, а второго — нет. Отношения цветов становятся обратными, если оба круга рассматриваются через отверстие в освещенном нейтральным светом сером экране: К₁ кажется окрашенным в цвет своего освещения, а К₂ — нейтрально серым.

В первом случае (без использования экрана) общий цвет освещения определяется отраженным стенами комнаты. В результате цветовой адаптации этот цвет теряет свою насыщенность и воспринимается как серый. Поэтому круг К₁, который отражает тот же самый свет, также воспринимается как серый, т. е. в соответствии со своей истинной окраской.

Если отражающий окрашенный цвет круг К₁ воспринимается нейтральным, то отражающий ахроматический свет круг К₂ должен восприниматься окрашенным. Причем цвет К₂ должен так отличаться от серого, как серый цвет К₁ отличается от цвета своего освещения. Это значит, что цвет К₂ должен быть дополнительным к цвету освещения в первой комнате.

Во втором случае общая составляющая цветовой тональности видимых объектов задается нейтральным цветом экрана. Поэтому К₂, отражающий нейтральный свет, воспринимается серым, a К₁, освещенный хроматическим светом, видится в цвете своего освещения.

Очевидно, принципиально то же объяснение можно дать и константному восприятию окрашенных предметов. Например, при красном освещении зеленый предмет на сером фоне отражает примерно такой же свет, как серый предмет при ахроматическом освещении. Вспомним, однако, что в результате одновременного цветового контраста серое пятно, окруженное красным полем, воспринимается как зеленоватое. Поэтому в рассматриваемом случае предмет будет восприниматься зеленоватым, т. е. близким к своей действительной окраске.

Рис. 47. Схема опыта К. Коффки

Таким образом анализ восприятия цвета предметов свидетельствует о том, что работа относительно элементарных механизмов адаптации и контраста подчинена основной задаче восприятия — предметному отражению окружающего нас мира.