Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ
ЧЕЛОВЕКА
М
одели цветового восприятия призваны поднять базовую колоримет
рию на уровень, описывающий восприятие цветового стимула в широ
ком диапазоне возможных условий просмотра. Для того чтобы полностью разо
браться в принципах создания, устройства и применения моделей цветового
восприятия, необходимо вникнуть в ряд фундаментальных положений науки
о цвете, которым и посвящены первые главы данной книги. Поскольку цвето
вое восприятие относится к сфере нашего визуального опыта, любая система,
разработанная для предсказания корреляций с этим опытом, должна в той или
иной степени основываться на морфологии и физиологии зрительной системы
человека, поэтому все модели цветового восприятия, описанные в данной кни
ге, построены на этой основе. Иными словами: понять суть различных моделей
проще, если освоить азы анатомии и физиологии зрительной системы челове
ка. Наша книга начинается с освещения именно этих вопросов.
Наука о зрении обширна и увлекательна, но в рамках одной главы можно
дать лишь краткий обзор тем, необходимых для изучения моделей цветового
восприятия, тогда как для углубленного изучения читателю рекомендуются:
обзор о механизме цветового зрения Ленни и Д'Змура (1988), статья Кайзера
и Бойнтона о цветовом зрении человека (1996), популярная статья Ванделла об
основах зрения (1995), обширный труд Пальмера (1999), подборки о цветовом
зрении Бакгауза и коллег (1998), а также труды Гегенфуртнера и Шерпа
(1999), — в этих работах можно найти подробности, касающиеся большей час
ти материалов данной главы.
1.1 ОПТИКА ГЛАЗА
Наше зрительное восприятие начинается с глаза и непосредственно зависит
от его анатомической структуры. На рисунке 1.1 представлены основные эле
менты оптической системы человеческого глаза. Глаз работает аналогично фо
токамере. Роговица и хрусталик действуют совместно (подобно тому как дейст
вуют вместе линзы фотообъектива), фокусируя видимый мир на сетчатой обо
лочке глазного дна, которая, в свою очередь, подобна фотопленке или иному
светочувствительному материалу. Эти и другие структуры оказывают ради
кальное влияние на наше цветовое восприятие.
Роговица
Роговица — это передняя внешняя прозрачная поверхность глазного ябло
ка, через которую проникает свет. Роговица — это самый главный из элемен
29
тов, формирующих изображение, так как его изогнутая поверхность, находясь
в непосредственном контакте с воздухом, обеспечивает наибольшее изменение
коэффициента преломления в оптической системе глаза. Роговица аваскуляр
на (не имеет кровеносных сосудов. — Прим. пер.) и получает питательные веще
ства из окружающих ее маргинальных капилляров и жидкостей. Дефекты пре
ломления, такие, как близорукость (миопия), дальнозоркость (гиперопия) или
астигматизм, могут являться следствием изменений кривизны роговицы и по
рой успешно корректируются лазерной хирургией.
Хрусталик
Хрусталик выполняет функцию т.н. аккомодации зрения и представляет
собой слоистую гибкую структуру с неравномерным коэффициентом преломле
ния. Хрусталик — это естественный индексградиентный элемент с максималь
ным коэффициентом преломления в его центре и минимальным на периферии.
Такая особенность хрусталика снижает вероятность аберраций, присущих
всем простым оптическим системам.
Кривизна хрусталика регулируется т.н. цилиарными мышцами. Когда мы
вглядываемся в ближний объект, хрусталик становится «толстым», увеличи
вая тем самым свою оптическую силу и позволяя нам сфокусировать зрение на
ближних объектах. Когда мы вглядываемся в дальний объект, хрусталик «уп
лощается», теряя свою оптическую силу и приводя удаленные объекты к рез
кости.
Поскольку мы стареем, внутренняя структура хрусталика меняется, он ста
новится менее эластичным, а, как правило, к пятидесяти годам теряет эластич
30
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Ðîãîâèöà
Çðà÷îê
Ðàäóæêà
Õðóñòàëèê
Ñåò÷àòêà
Öåíòðàëüíàÿ
ÿìêà ñåò÷àòêè
Çðèòåëüíûé
íåðâ
Рис. 1.1 Схема устройства человеческого глаза.
ность полностью, и наблюдатель уже не может сфокусировать зрение на ближ
них объектах (пресбиопия или «старый глаз»). В этот период большинство лю
дей при чтении начинает пользоваться очками.
Наряду с отвердением хрусталика повышается его оптическая плотность.
Хрусталик поглощает и рассеивает коротковолновую световую энергию (синий
и фиолет), и по мере его отвердения степень поглощения и рассеивания растет.
Иными словами, с годами хрусталик все больше желтеет, и хотя благодаря раз
личным механизмам хроматической адаптации мы не осознаем возрастных из
менений, все же с возрастом мы начинаем смотреть на мир через желтый
фильтр, который не только меняется с годами, но и сильно отличается от на
блюдателя к наблюдателю.
Описанные эффекты активно проявляют себя в ситуациях, когда возникает
необходимость выполнить экспертное цветовое сравнение или сравнение цвета
вместе с другими наблюдателями, и особенно — при рассматривании фиолето
вых объектов, потому что старый хрусталик поглощает большую часть «синей»
энергии, отраженной от фиолетового объекта, но нейтрален в отношении отра
женной «красной» энергии. В результате пожилым наблюдателям (в отличие
от молодых) объект представляется более красным. Проблема старения хруста
лика и ее влияние на зрительное восприятие описаны Покорни с коллегами
(1987), Вернером и Шефрин (1993) и Шефрин и Вернером (1993).
Жидкости
Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено т.н. водянистой
влагой, то есть по сути — водой. Пространство между хрусталиком и сетчаткой
заполнено т.н. стекловидным телом, которое также является жидкостью, но
с большей вязкостью, подобной вязкости желатина. Давление обеих жидко
стей слегка повышено относительно атмосферного, дабы обеспечить постоянст
во формы глазного яблока и избежать нежелательного дрожания изображения
на сетчатке. Упругость глазного яблока обеспечивает его устойчивость к меха
ническим повреждениям, поскольку намного труднее разрушить структуру,
которая легко поддается силовому воздействию, нежели ту, которая пытается
оставаться твердой. Поскольку коэффициенты преломления жидкостей внут
ри глаза примерно равны коэффициенту преломления воды, а у роговицы
и хрусталика они слегка выше, то задняя поверхность роговицы и хрусталик
имеют относительно низкую оптическую силу.
Радужная оболочка
Радужная оболочка (радужка) представляет собой сфинктер (циркулярную
мышцу. — Прим. пер.), управляющий размером зрачка. Радужка пигментиро
вана, благодаря чему у каждого из нас цвет глаз индивидуален и определяется
концентрацией и распространенностью меланина внутри радужной оболочки.
Зрачок представляет собой отверстие в центре радужки, через которое осве
щается сетчатка. Диаметр зрачка во многом зависит от уровня освещенности,
но важно отметить, что он может меняться и по «невизуальным» причинам, на
31
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
пример при возбуждении (данный эффект можно наблюдать, следя за зрачка
ми котенка и подергивая игрушкой перед его мордочкой). Таким образом, ре
зультирующий диаметр зрачка при том или ином уровне превалирующего ос
вещения предсказать довольно сложно. На практике диаметр зрачка колеблет
ся в пределах 3–7 мм, и площадь зрачка может меняться в среднем пятикратно,
в результате чего пятикратно может меняться освещенность сетчатки. Реак
ция зрачка ограничена эффектом СтайлсаКроуфорда, суть которого заключа
ется в том, что краевые лучи слабее стимулируют визуальный колбочковый от
вет, нежели лучи центральные. Но одним только изменением диаметра зрачка
невозможно объяснить великолепную адаптацию человеческого зрения к раз
ным уровням освещенности, которые могут меняться в очень широком диапа
зоне — вплоть до 10 порядков.
Сетчатка
Сетчатка — это слой клеток, толщиной примерно с папиросную бумагу, рас
положенный на задней внутренней поверхности глазного яблока и включаю
щий в себя, наряду с другими, светочувствительные клетки.
Оптическое изображение, сформированное глазом, проектируется на сетчат
ку, которая обеспечивает начальную обработку сигнала и формирует «схему»
его передачи (в высшие отделы головного мозга. — Прим. пер.). Светочувстви
тельные клетки, или фоторецепторы, это фрагмент центральной нервной систе
мы, которые можно рассматривать как часть головного мозга.
Фоторецепторы — палочки и колбочки — служат для того, чтобы преобразо
вывать информацию, представленную в оптическом изображении, в химиче
ские и электрические сигналы, которые затем могут быть переданы вышестоя
щим узлам зрительной системы. Эти сигналы обрабатываются сетью нервных
клеток сетчатки, а затем передаются в мозг по зрительному нерву. Подробнее
о сетчатке мы будем говорить ниже.
Позади сетчатки находится т.н. пигментный эпителий — темный пигмент
ный слой, который обеспечивает абсорбцию любого света, прошедшего через
сетчатку, но не поглощенного фоторецепторами, т.е. функция пигментного
эпителия состоит в том, чтобы предотвращать обратное рассеяние света через
сетчатку, снижающее резкость и контраст воспринимаемого изображения.
Ночные животные жертвуют улучшенным качеством изображения ради
т.н. тапетума — слоя с высоким коэффициентом отражения, который отдает
свет обратно, давая фоторецепторам еще один шанс абсорбировать энергию.
Этим объясняется то, почему глаза лисицы, или любого ночного животного,
выхваченные из темноты фарами приближающегося автомобиля, воспринима
ются как самосветящиеся.
Центральная ямка сетчатки
Наверное самой важной структурной областью сетчатки является ее цен
тральная ямка (fovea retinae) — участок сетчатки, в котором мы имеем наилуч
шее пространственное и цветовое зрение. Когда мы фиксируем на объекте при
32
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
стальный взгляд, или даже просто смотрим на него, мы двигаем головой и глаза
ми так, чтобы изображение объекта попадало на центральную ямку. Когда вы
читаете этот текст — вы двигаете глазами, и разные слова попадают на вашу цен
тральную ямку. Чтобы убедиться в том, как быстро снижается пространствен
ная частота восприятия по мере смещения стимулов в сторону от центральной
ямки, попытайтесь прочитать предыдущий текст этого параграфа, зафиксиро
вав взгляд на конце данного предложения: очень трудно, почти невозможно чи
тать строки текста, расположенные вдали от точки фиксации взгляда.
Центральная ямка занимает область с визуальным угловым размером, рав
ным примерно 2° в центре поля зрения. Для того чтобы представить себе, как
выглядят 2° визуального угла, посмотрите на кисть вытянутой руки — толщи
на ногтя большого пальца будет равна примерно 1° визуального угла.
Макула
Центральная ямка защищена желтым фильтром, называемым макула
(желтое пятно), который защищает ее от воздействия интенсивного коротко
волнового излучения, а также понижает хроматические аберрации, возникаю
щие изза того, что коротковолновые изображения большую часть времени на
ходятся не в фокусе. В отличие от хрусталика, макула с возрастом не становит
ся избыточно желтой, однако у разных наблюдателей оптические плотности
макулярного пигмента различны, а у отдельных лиц даже обнаруживаются от
личия между левым и правым глазами.
Желтые фильтры (хрусталик и макула), через которые мы смотрим на окру
жающий мир — это главный источник вариабельности цветового зрения у на
блюдателей с нормальным цветовым зрением.
Зрительный нерв
Последняя ключевая структура глаза — зрительный (оптический) нерв.
Оптический нерв состоит из аксонов (исходящих отростков) ганглиозных кле
ток — клеток верхнего уровня нейронных процессов в сетчатке. Любопытно,
что зрительный нерв состоит примерно из одного миллиона волокон, передаю
щих информацию, сгенеренную примерно 130 миллионами фоторецепторов.
Таким образом, имеет место явная компрессия визуального сигнала, происхо
дящая до до его передачи к более высоким уровням зрительной системы. «Пик
сельная карта» зрительных стимулов никогда не поступает на обработку в выс
шие зрительные отделы мозга, что называется, «один в один» (подробнее этот
процесс мы рассмотрим ниже).
В зрительный нерв собирается информация со всего пространства, запол
ненного фоторецепторами, но в каждом глазу есть небольшая область, в кото
рой не может быть зрительного возбуждения: эта область носит название слепо
го пятна.
Описанные структуры, непосредственно участвуют в формировании и под
готовке информации, используемой зрительной системой, — информации, ко
торая в конечном счете проявляет себя цветовым восприятием. Зрачок устанав
33
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
ливает определенный уровень освещенности сетчатки, что оказывает ради
кальное влияние на цветовое восприятие, работа хрусталика и макулы в каче
стве желтых фильтров регулирует спектральную чувствительность нашей зри
тельной системы и ведет к существенным отличиям в цветовом восприятии
у разных наблюдателей.
Пространственные структуры сетчатки определяют характер и природу
т.н. зрительных полей, свойства которых критичны для цветового восприятия.
Нейронные сети сетчатки в целом повторяют общую картину визуального вос
приятия, но его специфичность не может рассматриваться как проблема про
стой поточечной обработки изображения. Некоторые из этих важных положе
ний мы будем подробно обсуждать в разделах, посвященных сетчатке, физио
логии зрения и его характеристикам.
1.2 СЕТЧАТКА
Рисунок 1.2 демонстрирует послойную структуру сетчатки, которая вклю
чает в себя несколько слоев нервных клеток. Первый слой — фоторецепторы
(палочки и колбочки). Вертикальная обработка сигнала идет через слои сетчат
ки по цепочке и может быть смоделирована путем отслеживания связей клеток
друг с другом — фоторецепторов с биполярными клетками, биполярных с ганг
лиозными (аксоны последних формируют зрительный нерв). На каждом из
этих этапов сравниваются и объединяются сигналы от множества фоторецепто
ров. Так происходит потому, что весь массив фоторецепторов обеспечивает
входной сигнал для множества биполярных клеток, а множество биполярных
клеток обеспечивает входной сигнал для множества клеток ганглиозных.
Отметим существенную деталь: данная модель обработки сигнала в сетчатке
игнорирует два других важных типа клеток, к которым относятся т.н. горизон
тальные клетки, обеспечивающие латеральные (боковые) связи между фото
рецепторами и биполярными клетками, а также т.н. амакриновые клетки,
обеспечивающие латеральные связи между биполярными и ганглиозными
клетками. Рисунок 1.2 демонстрирует лишь малую часть таких взаимосвязей.
Специфическая обработка информации, происходящая в клетках каждого
типа, еще мало изучена и поэтому ее описание не входит в задачу данной главы,
но важно отметить, что сигналы сетчатки, передаваемые в высшие отделы го
ловного мозга посредством ганглиозных клеток, идут не путем простого пото
чечного представления рецепторных сигналов, а скорее состоят из их сложных
комбинаций.
Чтобы представить себе всю сложность процессов, происходящих в сетчат
ке, задумаемся о том, что каждый синапс
1
между нервными клетками может
эффективно выполнять математические операции (сложение, вычитание, ум
ножение, деление) в совокупности с усилением сигнала, контролем его мощно
сти и нелинейности. Таким образом, сеть клеток внутри сетчатки представляет
собой сложнейший «графический компьютер», в котором информация от
34
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
1
Синапс — участок контакта между нервными клетками. — Прим. пер.
130 миллионов фоторецепторов может быть редуцирована примерно в 130 раз,
для передачи одному миллиону ганглиозных клеток, при этом без потери визу
ально значимых данных.
Любопытно, что прежде чем достичь фоторецепторов свет проходит через
все нервные структуры сетчатки, но это не оказывает существенного влияния
на работу зрения, так как все клетки сетчатки прозрачны и находятся в фикси
рованном положении, благодаря чему не видны. Большое значение имеет и то,
что необходимое питание и удаление отходов, производимых фоторецептора
ми, осуществляется через заднюю поверхность глаза.
Палочки и колбочки
Рисунок 1.3 демонстрирует фоторецепторы сетчатки двух классов: палочки
и колбочки, которые получили названия благодаря своей форме. Палочки
стройны и вытянуты, в то время как периферийные колбочки имеют скорее ко
ническую форму. Морфологическая классификация светочувствительных
35
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Ãàíãëèîçíûå
êëåòêè
Àìàêðèíîâûå
êëåòêè
Áèïîëÿðíûå
êëåòêè
Ãîðèçîíòàëüíûå
êëåòêè
Ôîòîðåöåïòîðû
Ïèãìåíòèðîâàííûé
ýïèòåëèé
Рис. 1.2 Схема «монтажа» клеток сетчатки человеческого глаза.
клеток сетчатки создает некоторую путаницу, по
скольку колбочки центральной ямки плотно упа
кованы и поэтому внешне схожи с палочками.
Более важным является функциональное от
личие между данными типами клеток: при низ
ких уровнях яркости (к примеру, меньших чем
1cd/m
2
) зрение обеспечивают только палочки, в то
время как колбочки работают при более высоких
уровнях яркости. Переход от палочкового зре
ния к колбочковому — один из механизмов, бла
годаря которым наше зрение функционирует
в большом диапазоне уровней яркости: на высо
ких уровнях яркости (к примеру, выше чем
100 cd/m
2
) палочки полностью насыщаются
и функционируют только колбочки. На промежу
точных уровнях яркости и палочки и колбочки
функционируют совместно. Зрение, при котором
активны только палочки, называется скотопиче
ским зрением, а зрение, обеспеченное только кол
бочками, именуется фотопическим. Термин мезо
пическое зрение относится к зрению, обеспеченному одновременной активно
стью палочек и колбочек.
Палочки и колбочки также существенно отличаются друг от друга по своим
спектральным чувствительностям — рис. 1.4 (а). Существует только один вид
палочковых рецепторов, пик спектральной чувствительности которого нахо
36
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.4 (а) — нормированные спектральные чувствительности L, M и Sколбочек; (b) — нор
мированные CIEфункции спектральной световой эффективности для скотопического —
V`(l) — и фотопического —V(l) — зрения.
Ïàëî÷êè
Êîëáî÷êè
Рис. 1.3 Палочки и колбочки.
дится в районе 510 нм, тогда как пики спектральной чувствительности трех ви
дов колбочковых рецепторов приходятся на разные участки видимого спектра.
Три типа колбочек названы как L, MиSколбочки, что отражает их суть:
названия даны в соответствии с длинноволновой (Longwavelength), средневол
новой (Middlewavelength) и коротковолновой (Shortwavelength) чувствитель
ностями колбочек. Иногда колбочки обозначают иными символами: RGB или
rgb, наводящими на размышления о красной, зеленой и синей чувствительно
стях. Как видно из рис. 1.4 (а), такая точка зрения ошибочна и аббревиатура
«LMS» является наиболее подходящей. Обращаем внимание на то, что спек
тральные чувствительности трех типов колбочек накладываются друг на дру
га. Отметим также, что принцип работы устройств ввода и вывода изображе
ний зачастую весьма далек от принципа «цветоделения» по колбочковым чув
ствительностям, что является основной причиной крайней затрудненности,
а подчас и невозможности точного цветовоспроизведения.
Три типа колбочек напрямую обеспечивают цветовое зрение, палочковая же
система, поскольку существует лишь один вид палочек, к цветовому зрению не
способна. В последнем легко убедиться, рассматривая красочную сцену при
очень низких уровнях яркости. Рисунок 1.4 (b) демонстрирует две CIEфункции
спектральной световой эффективности: функция V`(l) для скотопического (па
лочкового) зрения и функция V(l) — для фотопического (колбочкового). Эти
функции представляют полную чувствительность двух систем в восприятии
яркостей на разных длинах волн. Поскольку существует только один вид пало
чек, функция V`(l) идентична функции спектральной чувствительности пало
чек и зависит от спектрального поглощения родопсина — светочувствительно
го палочкового пигмента. Функция V(l) представляет собой комбинацию сиг
налов от трех типов колбочек (а не функцию спектральной чувствительности
колбочек какоголибо одного типа).
Теперь обратим внимание на отличие в пиках спектральной чувствительно
сти между скотопическим и фотопическим зрением. Скотопическое зрение бо
лее чувствительно к коротким длинам волн. Данный эффект, именуемый сдви
гом Пуркине (Purkinje shift)
1
, можно наблюдать при сравнении двух объек
тов — синего и красного, которые при дневном свете имеют одинаковую светло
ту. Если эти два объекта рассматривать при очень низких уровнях яркости, си
ний объект будет восприниматься достаточно светлым, в то время как крас
ный, благодаря особенностям функции скотопической спектральной чувстви
тельности, покажется почти черным.
Еще одной важной особенностью трех типов колбочек является их относи
тельное распределение в сетчатке. Оказывается, сетчатка скудно населена
Sколбочками, в середине ее центральной ямки они вообще не встречаются;
LиMколбочек гораздо больше, чем Sколбочек, причем Lколбочек пример
но вдвое больше, чем Мколбочек. Количественное соотношение L:M:S пример
37
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
1
Ян Эвангелиста Пуркине (Jan Evangelista Purkyne) (1787–1869), чешский физиолог, зани
мавшийся вопросами общей физиологии и физиологии органов чувств. Имя Пуркине часто
ошибочно пишут и произносят на французский манер. — Прим. пер.
но равно 12:6:1 (по другим оценкам оно достигает 40:20:1). Чтобы прогнозиро
вать визуальные ответы высокого уровня при объединении колбочковых инди
видуальных ответов, необходимо учитывать относительное количественное
распределение колбочек в сетчатке — графики рис. 1.4 (а) отражают результат
индивидуального нормирования. Рис. 1.5 демонстрирует мозаичную схему ги
потетического распределения фовеальных фоторецепторов с условной раскрас
кой Lколбочек в красный, Мколбочек в зеленый, а Sколбочек в синий цвета.
Обратим особое внимание на то, что рис. 1.5 — это всего лишь удобная иллюст
рация распределения колбочковых популяций, которая не должна восприни
маться буквально.
Как видно из рис. 1.5, в центральном пятне нет палочек. Эта особенность
зрительной системы проявляет себя тогда, когда пытаются пристально смот
реть на маленький тусклосветящийся объект, например на слабую ночную
звезду, — как только ее изображение попадает на центральную ямку сетчатки,
она исчезает, поскольку в центральной ямке нет палочек, фиксирующих сла
бые стимулы.
На рис. 1.6 показано распределение палочек и колбочек по всей поверхности
сетчатки. Можно проследить ряд важных особенностей этого распределения.
Вопервых, отметим невероятно большое количество фоторецепторов: в неко
торых областях сетчатки встречается до 150000 фоторецепторов на квадрат
ный миллиметр! Также отметим, что палочек существенно больше (примерно
120 миллионов на сетчатку), чем колбочек (примерно 7 миллионов на сетчат
ку). Последнее может показаться странным, ведь мы знаем, что колбочки рабо
тают при высоких уровнях яркости и обеспечивают высокую степень остроты
зрения, тогда как палочки, работающие при низких уровнях яркости, не могут
обеспечить достаточную остроту (по аналогии с низкочувствительными и мел
козернистыми фотопленками против высокочувствительных пленок с грубым
крупным зерном). На самом деле противоречия нет: каждая отдельная колбоч
38
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.5 Мозаика ретинальных фоторецепторов, условно раскрашенных для демонстрации от
носительных пропорций залегания Lколбочек (красные), Мколбочек (зеленые) и Sколбочек
(синие) в сетчатке человека. Смоделировано Вильямсом и коллегами (1991).