Цветопередача. Как мы видим цвета, особенности зрения человека

Как наши глаза воспринимают цвет?

Электромагнитное излучение, изменяющееся по длине волны от гамма-лучей до микроволн, постоянно бомбардирует нас со всех сторон. Наши глаза способны обнаружить сколько излучения входит в них и с какого направления, только если это излучение находится в пределах видимого спектра. Находится примерно между 380 и 780 нанометрами (Нм).

Полезные статьи:

Что такое индекс цветопередачи? Как он влияет на освещение

Что такое мерцание (пульсация) светового потока?

Все статьи

Спектральное распределение мощности (SPD) источника света представляет собой графические или табличные данные. Это количество излучения источником света на каждой длине волны только в видимом спектре. Например, на рис.2 показан SPD лампы накаливания. SPD предоставляет основные физические данные, необходимые для расчета цвета источника света.

Три фоторецептора, влияющие на восприятие цвета

Когда люди говорят о цвете, они обычно обсуждают внешний вид объекта (красный, розовый, фиолетовый, коричневый, белый) или источника света (например, теплый-белый, холодный-белый). Хотя внешний вид цвета по-видимому, исходя из физических характеристик электромагнитного излучения, достигающего сетчатки глаза человека, оно на самом деле является результатом обработки сигналов, выполняемой зрительной системой. Более конкретно, появление цвета является результатом вычислений, выполняемых тремя отдельными "цветовыми каналами". Каждый канал принимает одну и ту же излучающую энергию, падающую на сетчатку, и обрабатывает ее немного по-разному. В результате исследований была получена общая модель зрительной системы, которая дает базовое объяснение цветового облика.

Чтобы свет стимулировал мозг, он должен быть поглощен фоторецепторами в сетчатке глаза. Существует три типа колбочковых фоторецепторов, отвечающих за цветовое зрение, каждый из которых в значительной степени определяется фотопигментом, содержащимся в этом фоторецепторе. На рис. 3 показана спектральная чувствительность трех конических фоторецепторов L, M и S. Буквы символизируют пиковую спектральную чувствительность фоторецепторов к длинноволновому, среднему и коротковолновому излучению соответственно.

Нейронные сигналы - проводники восприятия цвета

Нейронные сигналы, генерируемые этими фоторецепторами, по-разному объединяются тремя цветовыми каналами. Один канал, ахроматический или канал яркости, вычисляет количество света, падающего на сетчатку, из суммы выходов L и M колбочек. Этот канал яркости связан с воспринимаемой яркостью объекта или источника света. Два других канала, известные как каналы цветового противника, вычисляют оттенки. Один канал противника вычитает отклик L-конусов из отклика M-конусов, чтобы получить красный против зеленого. Когда сила сигнала канала, например, больше нуля, Канал сигнализирует "Красный" к мозгу; когда ответ меньше нуля, он сигнализирует "Зеленый" к мозгу. Другой канал противника вычитает ответ конуса S из суммы конусов L и M, чтобы получить синий по сравнению с желтым ответом.

Все цвета воспринимаются мозгом как следующие комбинации: красный или зеленый; синий или желтый. Например, оранжевый видится красновато-желтым, а бирюзовый-зеленовато-синим. Поскольку и красные, и зеленые цвета образуются только одним цветовым каналом противника, мы никогда не можем видеть красновато-зеленые. Точно так же мы никогда не увидим голубовато-желтого. Цвет "белый" виден, когда оба цветовых канала противника сбалансированы (т. е. свет не является ни красным, ни зеленым, ни синим или желтым), поэтому только ахроматический канал сигнализирует мозгу.

Хотя эта модель лежит в основе внешнего вида цвета, реальный внешний вид данного цвета основан на гораздо более сложном наборе тонких взаимодействий в зрительной системе. Например, при кратковременной вспышке свет может казаться белым, а при постоянном взгляде-желтым. Более распространенным примером таких нейронных взаимодействий является изменение внешнего вида одного и того же света на разных уровнях адаптации. Свет, который выглядит оранжевым при высоком освещении, может выглядеть янтарным или коричневым при низком освещении. Яркий пример того, как внешний вид цвета может изменяться в результате других нейронных активностей в мозге, показан на рис.4.

Одни и те же физические стимулы (цветные квадраты) кажутся различными в зависимости от цвета их окружения.

Как освещение изменяет цветовую гамму

Цветовое зрение человека начинается с поглощения света тремя конусообразными фоторецепторами глаз. В 19 веке ученые обнаружили, что любой свет может быть точно подобран по внешнему виду с правильной комбинацией трех различных цветных огней, известных как первичные. Они также обнаружили, что подбор цветов следует всем правилам линейной алгебры: сложение, вычитание, умножение и деление. Система CIE была основой для всех цветовых расчетов, используемых в осветительной промышленности, в значительной степени потому, что подбор цветов следует этим алгебраическим правилам. Этот трехосновный принцип используется сегодня с цветным телевидением и другими электронными дисплеями. Путем включения различных количеств всего лишь трех высоконасыщенных, красных, зеленых и синих праймеров, на дисплее может быть создан широкий спектр цветовых восприятий.

Хотя производители освещения публикуют данные о спектральном распределении мощности для своих источников света, эти данные являются громоздкими и более подробными, чем это необходимо для точного и однозначного представления цвета. Вместо этого индустрия чаще всего описывает внешний вид цвета в качестве индекса цветопередачи или источника света с помощью цветности, который является производным от SPD источника света с использованием системы CIE (CIE 1986). В этой системе абсолютные количества трех первичных огней, необходимые для соответствия данному свету, нормируются таким образом, что сумма этих трех первичных огней равна единице. Таким образом, любые два из нормализованных чисел дают полное описание цвета источника света. Два числа, используемые для математического описания цвета источника света, известны как координаты его цветности, или просто его цветность.

Источники света, которые имеют различные СПД, но производят одинаковое относительное поглощение тремя типами конусов, будут иметь одинаковую цветность. При одинаковой яркости эти огни также будут казаться идентичными при одинаковых условиях просмотра. Источники света этого типа известны как матамеры.