Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
уменьшена, поскольку имеет место сдвиг спектральной чувствительности фото
пигментов или их загрязнение (к примеру, попадание Lколбочкового пигмента
в Mколбочки). Среди аномальных трихроматов встречаются следующие:
— протаномальные трихроматы (слабая пигментация Lколбочек или сме
щение Lколбочковой абсорбции в сторону коротких волн);
— дейтераномальные трихроматы (слабая пигментация Mколбочек или
смещение Mколбочковой абсорбции в сторону длинных волн);
— тританомальные трихроматы (слабая пигментация Sколбочек или сме
щение Sколбочковой абсорбции в сторону длинных волн).
Иногда встречается колбочковый монохроматизм (эффективен только один
вид колбочек) или палочковый монохроматизм (колбочковые ответы вообще
отсутствуют).
Наблюдатель с нормальным цветовым зрением не может представить себе,
как воспринимает окружающий мир человек с той или иной цветовой аномали
ей, но у нас есть возможность продемонстрировать цветовые тона, которые ста
новятся неразличимыми. На рис. 1.21 показаны два нормальных изображения
и результаты их обработки по алгоритму имитации аномалий, опубликованно
му Бреттелем и коллегами (1997), с помощью инструментария, взятого
с www.vischeck.com. Такая обработка позволяет продемонстрировать цвета,
в которых путаются протанопы, дейтеранопы и тританопы, однако изучение
аномалий цветового зрения в области моделирования цветового восприятия
и цветового репродуцирования имеет скорее академический интерес.
Таблица 1.1 демонстрирует приблизительный процент людей с аномалиями
цветового зрения от общей численности населения.
Из таблицы 1.1 ясно, что аномалии цветового зрения не так уж редки, осо
бенно среди мужчин (примерно 8%), и что важно учитывать возможность появ
ления наблюдателей с цветовыми аномалиями в разных сферах деятельности.
Таблица 1.1 Приблизительное процентное распределение различных аномалий цветового
зрения. Основано на данных Ханта (1991)
Тип аномалии Мужчины (%) Женщины (%)
Протанопия 1.0 0.02
Дейтеранопия 1.1 0.01
Тританопия 0.002 0.001
Колбочковый монохроматизм ~0 ~0
Палочковый монохроматизм 0.003 0.002
Протаномалия 1.0 0.02
Дейтераномалия 4.9 0.38
Тританомалия ~0 ~0
Общее кол;во: 8.0 0.4
59
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Аномалии цветового зрения и половая принадлежность
Почему количество цветовых аномалий у мужчин и женщин неодинаково?
Если обратиться к генетическим основам аномалий цветового зрения, то выяс
нится, что большинство обычных форм этих аномалий генетически связаны
с полом.
Гены, отвечающие за фотопигмент, содержатся в Xхромосоме. Женщины
унаследовали одну Ххромосому от матери и одну от отца. Для обеспечения
нормального цветового зрения минимум одна хромосома должна содержать
гены нормального синтеза фотопигмента. Мужчины унаследовали Ххромо
сому от матери и Yхромосому от отца. Если единственная Ххромосома не со
60
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
Рис. 1.21 Изображения, иллюстрирующие отсутствие цветоразличительной способности при
разных типах аномалий цветового зрения: (а) оригинальные изображения; (b) протанопы;
(с) дейтеранопы; (d) тританопы. Оригинал изображения птиц взят с Kodak Photo Sampler
PhotoCD. Оригинал изображения девочек — авторский. Изображения обработаны при помощи
www.vischeck.com.
держит гена синтеза фотопигмента, то сын будет иметь аномалию цветового
зрения. Если цветовая аномалия возникла у женщины, то это означает, что она
имеет две неполноценных Ххромосомы и все ее сыновья обречены на цветовую
аномалию. Итак, ясно, что когда речь идет о наследовании аномалий цветового
зрения, генетическая «колода карт» перетасована не в пользу мужчин. Отме
тим, что за последние годы наши знания о генетических основах цветовых ано
малий существенно углубились.
Одним из первых исследователей аномалий цветового зрения был Джон
Дальтон, который изучал собственное зрение, считавшееся протанопическим,
и придумал теорию, объясняющую данную аномалию. Дальтон предположил,
что аномалия была вызвана патологической прокраской стекловидного тела,
которая выступила в роли фильтра. Он сделал завещание, согласно которому
после смерти исследователя его глаза должны были вскрыть с целью экспери
ментального подтверждения теории. Так и поступили, но, к сожалению, тео
рия Дальтона оказалась неверной, однако же глаза ученого по сей день хранят
ся в манчестерском музее Великобритании. Хант с коллегами (1995), выпол
нив ДНКисследование глаз Дальтона, смог показать, что Дальтон был дейте
ранопом, а не протанопом, но при этом фотопигмент Lколбочек имел сдвиг
спектральной чувствительности в сторону коротких волн. Также Хант провел
колориметрическое исследование, показавшее, что данные генетических ис
следований коррелируют с наблюдениями Дальтона.
Отсев наблюдателей, выполняющих цветовые оценки
В связи с большой распространенностью аномалий цветового зрения, необ
ходим отсев наблюдателей, предшествующий их допуску к экспертной цвето
вой оценке или оценке цветовых соответствий. Для этой цели существует мно
жество разных тестов, но два из них имеют практическую ценность: это
т.н. псевдоизохроматические пластины и стооттеночный тест Фарнсворта —
Манселла.
Псевдоизохроматические пластины (к примеру, тест Ишихары на цветовую
слепоту) — это цветные пластины, составленные из точек произвольной свет
лоты, среди которых находится образец или цифра, сформированные из точек,
отличающихся по цветовому тону. Произвольная светлота точек — это прием,
исключающий возможность распознавания образцов за счет светлотных отли
чий. Пластины предъявляются наблюдателям при определенном освещении,
и затем испытуемых просят ответить, какой образец или цифру они видят.
Пластины Ишихары имеют такие цветовые комбинации, которые трудно рас
познать наблюдателям с той или иной аномалией цветового зрения. Данные
тесты, как правило, входят в состав инструментария обычной офтальмологиче
ской экспертизы, и их можно приобрести у дилеров по оптике либо у общенауч
ных дилеров. Отсев с использованием псевдоизохроматических пластин — это
минимальнонеобходимая проверка для каждого, кто должен выполнять экс
пертную оценку цвета.
Стооттеночный тест Фарнсворта — Манселла, который можно приобрести
в Munsell Color Company, содержит четыре набора раскрашенных фишек, кото
61
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
рые следует разложить в определенной последовательности по цветовому тону:
наблюдатели с разными аномалиями цветового зрения при раскладывании фи
шек будут допускать ошибки в разных секторах цветового круга. Тест может
быть использован для диагностики разных типов аномалий, а также для оцен
ки степени нарушения цветоразличительной способности. Этот тест также мо
жет быть использован для идентификации наблюдателей с нормальным цвето
вым зрением, но слабой цветоразличительной способностью.
1.7 КЛЮЧЕВЫЕ МОМЕНТЫ В МОДЕЛИРОВАНИИ ЦВЕТОВОГО
ВОСПРИЯТИЯ
Данный параграф — это краткий обзор морфологии и физиологии зритель
ной системы человека, акцентированный на тех ее особенностях, что важны
для моделирования и прогноза феномена цветового восприятия.
Важными элементами оптики глаза являются: хрусталик, макула и колбоч
ковые фоторецепторы.
Хрусталик и макула воздействуют на цветовое восприятие, работая как
желтые фильтры, и поскольку их оптическая плотность различна у разных лю
дей, создают определенную вариабельность в наблюдателях.
Колбочки обеспечивают первую стадию цветового зрения, преобразуя спек
тральное распределение энергии на сетчатке в трехмерный сигнал, поступаю
щий на обработку в высшие отделы зрительной системы. Такое преобразование
является базисом метамеризма — фундаментального принципа колориметрии.
Численное соотношение колбочек (L:M:S приблизительно как 12:6:1) важно
для получения оппонентных сигналов, представляемых зрительной системе.
Корректное моделирование оппонентных сигналов требует учета упомянутого
соотношения, а пространственное распределение палочек и колбочек и их лате
ральное взаимодействие критичны для спецификации размера стимула и его
расположения на сетчатке.
Цветовое восприятие стимула, попавшего на центральную ямку сетчатки,
отлично от восприятия стимула, попавшего на периферию. Пространственное
взаимодействие в сетчатке, реализуемое горизонтальными и амакриновыми
клетками, критично для тех механизмов, что отвечают за цветовое восприятие
при изменении фона, окружения и уровня адаптации.
Кодирование цветовой информации через оппонентные каналы наряду с адап
тационными механизмами проявляющими себя до, во время и после данной ста
дии, — это, пожалуй, самая важная особенность зрительной системы человека,
которая обязательно должна учитываться моделями цветового восприятия.
Любая из моделей включает в себя стадию хроматической адаптации, ста
дию оппонентной обработки и функции нелинейного ответа; некоторые модели
вдобавок ко всему включают в себя эффекты световой и темновой адаптаций,
а также взаимодействие между палочковой и колбочковой системами.
Наконец, достаточно сильно влияют на цветовое восприятие когнитивные
механизмы зрения, такие, как цветовая память и обесцвечивание осветителя.
Эти и другие феномены будут детально описаны в главах 6–8.
ГЛАВА 1 ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА
2 ПСИХОФИЗИКА
Д
ля создания и применения моделей цветового восприятия, бесспорно,
необходимо понимание основных функций зрительной системы челове
ка, необходимость же понимания принципов психофизики не кажется столь
очевидной. Однако именно психофизические методы заложили основу нашего
знания о зрительной системе человека и о феномене цветового восприятия.
Психофизические методы — фундамент как самоей колориметрии, так и ее
продолжения — моделей цветового восприятия.
Психофизические методы также используются для получения, проверки
и сравнения данных, совершенствующих модели цветового восприятия, поэто
му знакомство с основами психофизики необходимо для понимания методик
использования и методик оценки моделей цветового восприятия. Плюс к тому,
психофизические методы, описанные в данной главе, всегда помогут убедиться
в работоспособности той или иной модели.
Данная глава — это краткий обзор экспериментов со зрением и анализ ре
зультатов этих экспериментов. Тщательно проводимые психофизические опы
ты позволяют выполнить точную количественную оценку феномена воспри
ятия, которое, к сожалению, часто рассматривают как сугубо субъективное яв
ление. Результаты психофизических экспериментов имеют огромное значение
в широком диапазоне сфер деятельности, включающих цветовые измерения
и оценку качества воспринимаемых изображений. В текущей главе мы дадим
обзор различных видов психофизических экспериментов со зрением, а также
обзор методик проведения пороговых экспериментов, экспериментов на цвето
вое соответствие и экспериментов по психометрическому шкалированию;
кратко обсудим вопросы обработки данных и их анализ.
Изложение психофизики будет основано на Стандартном руководстве по ор
ганизации и проведению визуальных экспериментов (ASTM 1996), которое
в свою очередь основано на материалах RITкурса автора данной книги. Также
можно порекомендовать ряд великолепных работ по психофизике, дополняю
щих материал настоящей главы. Это труды Гешайдера (1984), Бартлесона
и Грума (1984), Торгерсона (1958) и Тарстона (1959). К сожалению, по послед
ним трем ссылкам материал можно найти только в библиотеках. Любопытный
обзор применения психофизики в оценке качества изображений был представ
лен Энгельдрумом (1995). Материалы Энгельдрума (2000) по психометриче
скому шкалированию — это прекрасное описание современных психофизиче
ских методов исследования, а также сфер применения их результатов.
2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПСИХОФИЗИКИ
Психофизика — это наука, изучающая взаимоотношения между физически
измеряемыми стимулами и ощущениями, вызываемыми этими стимулами.
63
Психофизику как науку можно по праву поставить в один ряд с традиционны
ми дисциплинами: физикой, химией и биологией.
Психофизическим инструментарием пользуются для выполнения количе
ственных измерений, характеризующих феномен восприятия, который, на
помним, часто считают сугубо субъективным явлением. Отметим, что резуль
таты грамотно разработанных психофизических экспериментов являются
столь же объективными и количественными, как измерение длины по линейке
(или любое другое физическое измерение). Однако важно то, что стабильность
результатов при психофизических измерениях ниже, чем при других физиче
ских измерениях. В то же время, результаты психофизических экспериментов
полезны и значимы, если данная нестабильность учтена (подобно тому, как она
учитывается при физических измерениях). Психофизика изучает все парамет
ры человеческого восприятия, но поскольку тема данной книги — это воспри
ятие цветовое, мы будем детально обсуждать психофизику зрения.
Два класса экспериментов со зрением
Эксперименты со зрением делятся на два больших класса:
1. Эксперименты по определению порогов и соответствий, проводимые
для измерения визуальной чувствительности к малым изменениям в стимуле
(или в перцепционном равенстве).
2. Эксперименты по психометрическому шкалированию, предназначенные
для выявления взаимоотношений между физическими и перцепционными ве
личинами стимула.
В первую очередь крайне важно определить, эксперимент какого класса не
обходим в том или ином случае.
Пороговые эксперименты подходят для измерения визуальной выявляемо
сти стимула и чувствительности к его изменениям. Пороговый эксперимент
можно провести, к примеру, для экспертизы двух моделей цветового воспри
ятия, дающих разные практические результаты, или, к примеру, для оценки
качества алгоритма сжатия изображения и ответа на вопрос: действительно ли
этот алгоритм не ведет к визуальным потерям?
Эксперименты по психометрическому шкалированию подходят для тех слу
чаев, когда необходимо определить взаимоотношения между стимулами, к при
меру: эксперимент по шкалированию может быть проведен с целью выявления
численных взаимоотношений между визуальным качеством отпечатанного изо
бражения и адресным разрешением принтера. В моделировании цветового вос
приятия результаты экспериментов по психометрическому шкалированию ис
пользуются для выявления взаимоотношений между физически измеряемыми
колориметрическими величинами (к примеру, координаты CIE XYZ) и такими
цветовыми атрибутами, как светлота, насыщенность и цветовой тон.
2.2 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Психофизику, как и любую другую научную дисциплину, легче освоить, если
обратиться к истории ее развития, однако, несмотря на то, что ученые столетия
64
ГЛАВА 2 ПСИХОФИЗИКА
ми экспериментировали со своими ощущениями и тщательно фиксировали на
блюдения за ними, формальной психофизике не более 150 лет. Важными вехами
в истории психофизики являются работы Вебера, Фехнера и Стивенса.
Труды Вебера
В начале XIX столетия Эрнст Генрих Вебер (1795–1878) исследовал воспри
ятие веса. Вебер просил наблюдателей поднять гирьку, а затем, при всем необ
ходимом экспериментальном контроле, понемногу увеличивал вес, пока на
блюдатель не начинал отличать результирующий вес от изначального, то есть,
Вебер проводил опыты по измерению весового порога. Ученый заметил, что
если увеличивать изначальный вес, то его приращение, необходимое для дос
тижения порога, пропорционально повышается. Если начальное количество
стимула (в данном случае веса) обозначить как I, а изменение веса, необходи
мое для достижения порога, обозначить как DI, веберовские результаты можно
выразить как постоянный коэффициент DI/I. Это соотношение, именуемое за
коном Вебера, в целом постоянно для многих стимулов восприятия.
Веберовский результат весьма интуитивен: представьте себе, что вы несете
небольшую стопку бумаги, а затем добавляете к ней еще 20 листов, — понятно,
что вы почувствуете изменение в весе. Теперь представьте себе, что вы тащите
портфель, набитый книгами и бумагами, а затем добавляете все те же 20 лис
тов, — добавленный вес скорее всего останется незамеченным. Сказанное озна
чает, что при большей интенсивности начального стимула для достижения по
рога восприятия потребуются большие изменения.
Закон Вебера, к примеру, объясняет то, почему днем не видно звезд. Ночью
звезды обеспечивают некое приращение интенсивности (DI) к общей фоновой
яркости неба (I), превышающее визуальный порог, благодаря чему звезды вид
ны. В течение дня звезды дают все то же приращение интенсивности (DI) к фо
новой яркости, однако фоновая яркость дневного неба (I) намного больше ярко
сти ночного, а отношение DI/I намного меньше — такое низкое, что звезд не
видно.
Труды Фехнера
Следующая веха в истории психофизики — это труды Густава Теодора Фех
нера (1801–1887). Для получения математических соотношений между интен
сивностью стимула и величиной восприятия Фехнер использовал работы Вебе
ра. Он пытался решить проблему взаимосвязи тела и разума, доказывая, что
функции разума могут быть физически измерены. Благодаря своей работе
«Элементы психофизики», опубликованной в 1860 году, он прославился и не
ожиданно для самого себя был объявлен отцомоснователем психофизики.
Фехнер начал с двух основных предположений:
1. Закон Вебера верен.
2. Т.н. «едва заметное отличие» (justnoticeable difference — JND) можно
считать единицей восприятия.
Веберовские результаты показали, что «едва заметные отличия» (JND), из
меренные по физической шкале, действительно не равны между собой, но не
65
ГЛАВА 2 ПСИХОФИЗИКА
потому, что повышается интенсивность стимулов, а скорее потому, что повы
шается соотношение интенсивностей стимулов. Фехнер стремился получить
преобразование шкалы интенсивностей физических стимулов в шкалу вели
чин восприятия, в которой JND имели бы одинаковый размер для всех перцеп
ционных величин. Одним из решений данной проблемы является дифференци
альное уравнение, составленное на основе закона Вебера, благодаря чему JND
по шкале интенсивностей стимулов стали располагаться в геометрической про
грессии. Логарифмическое преобразование привело к уравниванию величин
приращения JND на шкале восприятия, благодаря чему JND, представленные
равными соотношениями по физической шкале, преобразуются в равные при
ращения по шкале восприятия. Такое преобразование известно как закон Фех
нера. Проще говоря, закон Фехнера гласит, что величины восприятия стимула
пропорциональны логарифму его физической интенсивности. Данная зависи
мость проиллюстрирована рисунком 2.1.
Закон Фехнера приводит к т.н. нелинейной компрессии отношений между
физическим измерением стимула и величинами его восприятия, что иллюстри
рует понижение чувствительности при повышении интенсивности стимула
(крутой участок кривой на рис. 2.1).
Если бы закон Фехнера был строго точен, то отношения были бы нелинейны
для всех видов восприятия: действительно, нелинейная компрессия относится
к большинству видов восприятия, но некоторые виды описываются функция
ми с иными формами кривых, и это значит, что закон Фехнера не до конца то
чен. Однако, в научной литературе о зрении есть множество примеров полного
подчинения закону Фехнера (или по крайней мере закону Вебера).
Труды Стивенса
Апеллируя к ущербности результатов Фехнера, Стэнли Смит Стивенс
(1906–1973) в 1961 г.
1
публикует работу с громким названием «Чтим Фехнера,
но отменяем его закон». Стивенс изучал взаимоотношения между интенсивно
стью физического стимула и величиной восприятия для его 30 различных ви
дов, используя при этом количественные методы оценки. Стивенс обнаружил,
что его результаты дают прямые линии, когда логарифм величины восприятия
взят как функция от логарифма интенсивности стимула, при этом прямые ли
нии для различных видов восприятия имеют разный наклон. Прямые линии
в логарифмических (loglog) осях соответствуют степенным функциям в линей
ных осях, а наклоны кривых в логарифмических осях — коэффициентам сте
пенных функций в линейных осях.
Стивенс предположил, что отношения между величиной восприятия и ин
тенсивностью стимула идут не по логарифмической функции Фехнера, а по сте
пенной зависимости с различными степенными коэффициентами для различ
ных видов восприятия, что известно как степенной закон Стивенса.
На рис. 2.1 показаны три вида степенных функций с различными коэффици
ентами. Когда степень меньше единицы, функция ведет к нелинейной компрес
66
ГЛАВА 2 ПСИХОФИЗИКА
1
То есть к 100летию выхода в свет «Элементов психофизики». — Прим. пер.
сии, характерной для большинства видов восприятия; когда степень равна еди
нице, функция отражает линейные взаимоотношения (имеется ряд примеров
линейной зависимости восприятия от физической интенсивности стимула, но
важно отметить, что такая зависимость встречается только на очень коротких
участках); когда степень больше единицы — отношения экспансивно нелиней
ны (такие отношения возникают при болевом восприятии, когда стимул вредо
носен; если бы имела место компрессия болевого восприятия, то она оказалась
бы очень опасной, поскольку наблюдатель становился бы все менее и менее чув
ствительным к стимулам, а опасность, соответственно, росла бы и росла).
Степенной закон Стивенса можно использовать для моделирования многих
феноменов восприятия, он заложен в основу цветовых измерений, в частности
во взаимоотношения между координатами CIE XYZ и независимыми перемен
ными светлоты и насыщенности в цветовом пространстве CIE LAB (последние
основаны на корнекубической компрессивной степенной нелинейности).
2.3 КЛАССИФИКАЦИЯ ШКАЛ
При создании шкал величин восприятия крайне важным является понима
ние свойств этих шкал, но зачастую психофизические методики используют
шкалы с весьма ограниченным математическим смыслом, изза чего большая
часть математических операций к этим шкалам неприменима.
Определены четыре ключевых вида шкал (в порядке возрастания математи
ческого смысла и сложности): номинальные, порядковые, интервальные и про
порциональные шкалы.
67
ГЛАВА 2 ПСИХОФИЗИКА
Рис. 2.1 Различные функции психофизических ответов: логарифмическая функция, предло
женная Фехнером и степенные функции с различными коэффициентами, предложенные Сти
венсом.
Номинальные шкалы
Номинальные шкалы в целом просты: они сортируют объекты по имени. Но
минальная шкала цветов состоит из категорий красных, желтых, зеленых, си
них и нейтральных оттенков, и шкалирование в данном случае — это решение
вопроса о том, какой цвет к какой категории отнести.
В отношении номинальных данных может быть выполнено лишь их имено
вание.
Порядковые шкалы
Порядковые шкалы — это шкалы, элементы которых расположены либо
в восходящей, либо в нисходящей последовательности, основанной соответст
венно на большем или меньшем количестве специфического признака воспри
ятия. Набор цветовых образцов можно рассортировать по цветовому тону, а за
тем в каждом диапазоне тонов образцы можно расположить от светлых к тем
ным, например, неравноконтрастный набор образцов можно разложить так:
три темно, один средне и два светлозеленых образца. Если теперь пронумеро
вать образцы от одного до шести по мере возрастания их светлоты, то мы полу
чим порядковую шкалу. Такая шкала не будет нести никакой информации
о том, насколько один зеленый образец светлее другого, и очевидной будет
лишь неравноконтрастность набора образцов.
Весь смысл порядковых шкал состоит в том, что образцы по данному при
знаку расположены в восходящей или нисходящей последовательности: кон
траст между образцами может быть больше или меньше и может меняться
вверх и вниз по шкале.
К порядковым шкалам применимы такие логические понятия, как «боль
ше», «меньше» или «равно».
Интервальные шкалы
У интервальных шкал равные интервалы: шкала является интервальной,
если, к примеру, образцы в первой паре, во второй паре и на любом другом уча
стке шкалы отличаются на две неких единицы, то есть если разница между лю
быми соседними образцами — две единицы; таким образом, в интервальных
шкалах отличия восприятия в парах равны между собой, но при этом у этих
шкал нет нулевой отметки.
Наряду со всеми логическими понятиями, применимыми к номинальным
и порядковым шкалам, к интервальным шкалам применимы математические
операции сложения и вычитания.
Примером интервальных шкал могут служить температурные шкалы Цель
сия и Фаренгейта.
Пропорциональные шкалы
Пропорциональные шкалы обладают всеми свойствами вышеперечисленных
шкал, но вдобавок ко всему у них имеется оправданная нулевая отметка, благо
68
ГЛАВА 2 ПСИХОФИЗИКА