Теория цветовосприятия

 В настоящий момент в мире получила широкое распространение теория трёхцветного восприятия изображения глазом человека. Считается, что за восприятие цвета отвечают колбочки в сетчатке глаза, которые бывают трёх видов, красные, зелёные и синие. Но это теория является не единственной, есть, например, теория нелинейного зрения С.Ременко и пр. Единой теории нет, так как до сих пор возникают противоречия.

Например, одно из слабых мест общепризнанной теории, что ученые до сих пор не нашли колбочки трех разных видов в сетчатке глаза, как они предполагают красный, синий и зелёный. Но зато, как установил Маркс (W. B. Marks) с сотрудниками, зелёно- и красночувствительный пигменты могут сосуществовать в одной и той же колбочке... Красный пигмент назвали эритролаб, а зелёный хлоролаб. Третьего пигмента, отвечающего за фильтрацию синего цвета, названного цианолаб, на сегодняшний день в колбочках не обнаружено. Поэтому возникают разные теории, такие как нелинейная теория зрения С. Ременко, где пытаются объяснить данное противоречие.

На мой взгляд, теория С. Ременко имеет много правильных моментов, она утверждает, что колбочки улавливают зелёный и красный спектр, формируют одну цветовую ось зелёный -фиолетовый, а средний или дендритный отвод колбочки формирует сигнал жёлтого (суммарный сигнал красного и зеленого), который в паре с палочками (воспринимают синий), формируют вторую цветовую ось (синий-желтый). В результате имеем один сигнал яркости (сложение нейронами сигналов трех цветов) и два хроматических сигнала (цветоразностных), один зелёный-фиолетовый, а второй синий-желтый. В результате получаем систему, к которой пришла современная фотография, систему Lab.

На мой взгляд, теория С. Ременко тоже имеет недоработки, так как в центральной части сетчатки глаза, так называемом жёлтом пятне вообще нет палочек или почти отсутствуют, которые улавливают синий цвет, простой опыт ставит под сомнение и эту теорию. Если сделать маленькое отверстие в листе бумаги, чтобы задействовать только область жёлтого пятна глаза и смотреть на цветные предметы через маленькое отверстие, то глаз нормально различает цвета, что требует определённо ответа.

Общепринятая теория считает, что палочки, чувствительные к синему спектру (частота зависит от уровня освещения) предназначены для сумеречного зрения за счет увеличенной чувствительности в 100 раз, относительно чувствительности колбочек и в дневном зрении они не задействованы! На мой взгляд, за восприятие цвета (дневное зрение) отвечают действительно только колбочки, а за сумеречное зрение преимущественно палочки. Притом колбочки улавливают и разделяют свет на три составляющие! Колбочка работает примерно следующим образом. Свет попадает в колбочку, где сначала располагается слой с пигментом хлоролаб, в этой области считывается и поглощается информация о зелёном цвете. Потом в средней части колбочки идёт выделение синего цвета. Пример, как это работает, мы хорошо видим на голубом или синем небе. Всё дело в том, что среда задерживает лучше коротковолновые излучения, то есть синий спектр, поэтому мы видим небо голубое и тоже самое происходит в колбочке, где в средней части задерживается синий цвет. И в конце колбочки находится зона с красным пигментом эритролаб (ближе к жёлтому в реальности), которая улавливает красный спектр.

Красный не случайно расположен на дальнем конце колбочки, принцип опять же хорошо виден на природе, небо на закате, когда свет проходит толщи воздуха, где поглощается короткий синий спектр (средняя область колбочки), а красный, как более длинноволновой доходит, поэтому на закате небо окрашивается в красные тона. На таком же принципе работает колбочка, поэтому синий пигмент ей не нужен. Тем не менее, это законченная система, которая всю приходящую энергию фотонов делит на три спектра: синий, красный и зелёный.

И сигнал поступает по зрительным нервам в мозг. Причём в зоне желтого пятна (оптический центр глаза) к нервам подсоединены все колбочки, а на периферии идет объединение в блок несколько сигналов с колбочек и палочек. Поэтому по краям картинки разрешение зрения сильно падает и дальше сигнал по зрительному нерву поступает в мозг. По оценкам ученых зрительный нерв содержит 1 млн. волокон (сигналов), а по новым данным эта цифра уже доходит до 5 млн. При передачи сигнала по нервам тоже есть интересная особенность, учеными на опытах установлено, что сигнал по нервам (притом всех типов) передаётся в виде однообразных импульсов, меняется только частота повторения импульсов, за счёт чего и формируется в мозгу уровень воздействия. Колбочка принимает сигнал (фотоны света), накапливает заряд и происходит пробой и передача импульса по зрительному нерву. И от частоты поступления фотонов зависит частота повторения импульсов, так мозг оценивает величину освещённости.

Интересной особенностью глаза является его способность к цветовой адаптации, когда при изменении условий освещения (изменение базового спектра, вызванного погодными условиями или искусственным освещением) зрение компенсирует освещение или как говорят регулирует баланс белого, поэтому мы достаточно легко определяем цвета даже при изменчивых внешних условиях. Интересно тут то, что на изображении с монитора глаз установить баланс белого корректно уже не может. Хотя, кажется чего трудного считать через матрицу фотоаппарата реальный уровень освещённости красного, синего и зелёного и потом воспроизвести в том же соотношении на мониторе, по логике должны получить то, что было. Но в реальности на фото приходится в ручную выставлять соотношения между красным, синим и зелёным на каждом снимке, чтобы привести картинку к естественному виду.

Вот этот момент вызывает интерес, почему так происходит!? Значит нужно искать отличие, в чём разница между природным светом и светом монитора. Мы хорошо знаем, что если взять луч белого света и разложить призмой, то получим спектр монохромных частот от видимого красного, до фиолетового, на самом деле спектр шире, просто глаз не захватывает весь спектр (ультрафиолет и инфракрасный спектр). Свет от монитора состоит из трех компонент, если мы возьмем желтый природный свет и пропустим его через призму, то получим опять жёлтый, но если мы возьмем желтый от монитора и тоже пропустим через призму, то увидим красный и зелёный. Монитор имитирует природные монохромные цвета за счёт смешивания трёх базовых частот, это называется аддитивная система смешивания цветов, положенная в основу цветовоспроизведения.

В основе этой системы, лежит способность глаза для восприятия отбрасывать лишние монохромные цвета и формировать их зрительное подобие за счет смешивания трех базовых цветов в разных пропорциях.

Но отбрасывает ли глаз человека (колбочки) «лишнюю» информацию (гармоники монохромного сета)!? Проще рассмотреть явление на аналогии с водной средой (волной), так как свет должен подчиняется законам природы.

Слева набегающая волна, это наш фотон белого света, который состоит из спектра гармоник (составляющих), которые определяют форму волны. Передний резкий фронт это ультрафиолетовый спектр (более высокая частота), основание это зеленый спектр и сзади пологий скат это инфракрасные частоты. Такая форма волны, как на море у берега обеспечивает более эффективный способ передачи, потому, что энергия идёт кучно, передний и задний фронт друг друга уравновешивают, поэтому рассеивание энергии минимально. При отражении об стенку (препятствие) форма волны меняется, она временно перегруппировывается в высоту, то есть меняет частоту, но вместе с тем имеем повышение потенциала, получаем качественное усиление сигнала.

Вот именно с этим свойством (усиления) связываю адаптацию глаза к изменению освещения. Когда в освещении появляется выраженная частота, пусть это будет синий спектр (пасмурно), тогда форма волны меняется, относительно синего спектра его гармоники ниже, поэтому проходя по средней области колбочки этот спектр не усиливается, а вот красный и зеленый за счет гармоник подтягиваются выше, так происходит автоматическая регулировка баланса белого.

И поэтому глаз человека с монитора не может правильно выставить баланс белого, так как свет монитора имеет уже три готовых базовых спектра, без гармонических составляющих и процесс усиления не возможен в принципе, нет гармоник, за счёт чего усиливать сигналы. Поэтому, чтобы картинке придать натуральность в фото необходимо компенсировать регуляторами уровни каналов красного, зелёного и синего, то есть усиливать каналы в определённых отношениях.

И кроме того, в фото есть ещё одна особенность, если мы возьмём изображение с матрицы фотоаппарата, которая воспринимает свет линейно, а современные матрицы это делают действительно линейно, с небольшими отклонениями и потом на мониторе воспроизвёдем, то заметим, что чистое изображение с матрицы выглядит не таким контрастным, как на самом деле. Чтобы придать картинке естественный вид вводят так называемую тоновую коррекцию, когда сигналы красного, синего и зеленого или общий канал яркости корректируются. Ниже картинка, как раз показывающая стандартную тоновую коррекцию (на глаз делал, по фото из окна, методом сравнения).

Тут мы видим, что начиная с теней (начало координат) сигнал усиливается, это похоже на квадратичную зависимость, потом усиление уменьшается. И этот усилительный момент опять же связываю с наличием гармоник в природном свете, которых нет в сигнале с монитора, поэтому необходимо сигнал с матрицы при демонстрации на мониторе подвергать тоновой коррекции, искусственно усиливать в зависимости от уровня яркости, чтобы придать картинке естественный вид.

Почему вначале имеем квадратичную зависимость это вполне понятно, так как с уровнем освещенности растёт и усилительный эффект, но с ростом уровня сигнала или освещённости растут и фрикционные потери (трение), причём тоже квадратично, поэтому в светах усиление сигнала падает. И поэтому получается S- образная тоновая коррекция.

Вот такая получилась теория цветовосприятия, которая объясняет, по крайней мере на мой взгляд, особенности восприятия картинки человека с монитора (фото) и в реальности. И если теория верна, то она позволяет в будущем на этих принципах строить более совершенные матрицы для фототехники, с извлечением максимума приходящей энергии и автоматической установкой баланса белого. Ну и кроме этого теория позволяет понять, как правильно нужно обрабатывать изображение из сырых данных матрицы (речь о фотоаппаратах поддерживающих RAW формат).