Особенности цветового восприятия человека

Что такое свет

Для того чтобы понять, что такое цвет, сначала мы должны уяснить, что такое свет. Как известно, физики говорят о том, что свет есть одновременно частица и волна. Мы не будем углубляться в дебри споров о физике света, и теорию я постараюсь изложить как можно проще. Тем, у кого появится желание детально разобраться в этом вопросе, я могу посоветовать курс общей физики.

Хроматические цвета определяются и светлотой, и цветностью. Цветность, в свою очередь, обладает двумя характеристиками: насыщенностью и цветовым тоном. Цветовой тон определяет сущность цвета (красный/синий/желтый), а насыщенность позволяет оценить, насколько "глубоким" и "чистым" является данный цвет, то есть насколько он отличается от ахроматического. Этот принцип определения цвета заложен с небольшими вариациями в таких моделях описания цвета, как HSB и HSL.

Для того чтобы определить понятие цвета, нам вполне достаточно волновой теории. Итак, свет есть излучение с определенной длиной волны. Спектр видимого света - это излучение с длинами волн в диапазоне примерно от 400 до 700 нанометров. Все излучения, лежащие за пределами этого диапазона, человеческим глазом уже не воспринимаются¹. В пределах видимого спектра излучения с разной длиной волны интерпретируются человеческим глазом как цвета (рис. 1). Таким образом, зная спектральный состав света, воспринятого глазом, можно легко определить цвет предмета. Однако обратный процесс с той же легкостью проделать не получается: зная цвет, можно предложить несколько вариантов его спектрального состава. Так, если излучение занимает интервал 570-580 нм, то цвет его однозначно желтый. Но желтым цветом может оказаться и смесь двух монохромных излучений: зеленого и красного, смешанных в определенной пропорции (почему - станет ясно дальше). Если спектральный состав двух цветов одинаков, цвета называются изомерными. Если же излучения одного цвета имеют разный спектральный состав, такие цвета называются метамерными. Именно на этой особенности человеческого зрения построены все системы синтеза цветов. Например, в телевизоре за счет модуляции мощности трех световых пучков - красного, зеленого и синего - получают все промежуточные цвета.

Рис. 1

Излученный и отраженный свет

Все, что окружает нас и попадает в поле нашего зрения, либо излучает свет, либо его отражает (или пропускает, в случае прозрачных предметов). Если спектр излучаемой телом энергии совпадает (или перекрывается) со спектром видимого излучения, человек воспринимает его как светящийся предмет. Цвет этого тела зависит от спектрального состава излучения. Так, если в спектральном составе излучения преобладают волны от 600 до 700 нм (красная часть спектра), мы будем воспринимать его как красное светящееся тело - например, кусок раскаленного металла. Если в излученном свете присутствуют волны красной и зеленой части спектра, глазу этот свет будет казаться желтым. Если же тело излучает во всем видимом спектре, глаз воспримет его как белый светящийся предмет. Еще один пример - ваш монитор: точки люминофора, которыми покрыт экран, излучают свет под воздействием электронного луча.

Отраженный свет возникает, когда некоторая поверхность отражает световые волны, падающие на нее от источника света. Идеально белая поверхность отражает все падающие лучи, ничего не поглощая (рис. 2, а). Серая поверхность равномерно поглощает световые волны разной длины. Отраженный от нее свет не меняет свой спектральный состав², изменяется только интенсивность излучения (рис. 2, б). Черные поверхности, существующие в природе, практически полностью поглощают падающий на них свет (рис. 2, в). Идеальная черная поверхность не отражает свет вообще. Подобные поверхности, отражающие и поглощающие различные цветовые лучи в равной мере, называются ахроматическими (по-русски - бесцветными).

Все остальные поверхности по-разному отражают свет с разной длиной волны. Так, красные поверхности поглощают световые волны, лежащие в зеленой и синей областях спектра, отражая только волны красной области. Именно поэтому при освещении красного предмета зеленым или синим светом он выглядит почти черным. Если же мы осветим красный предмет красным светом, он, наоборот, резко выделится на фоне остальных окружающих его предметов другого цвета. На принципе избирательного поглощения построены все технологии получения цвета в производстве. Рассмотрим это на примере типографского процесса: полиграфическая краска, нанесенная на бумагу, пропускает падающее излучение, поглощая определенную часть спектра; затем свет отражается от бумаги и еще раз проходит сквозь слой краски. В результате этого спектральный состав света, отраженного от запечатанной поверхности, изменяется, и мы видим цвет.

Как человек воспринимает цвет?

Человеческий глаз содержит два вида светочувствительных рецепторов: палочки и колбочки (ну-ну, только не надо начинать зевать и откладывать статью в сторону: это необходимая вводная информация, без которой будет нелегко разобраться в более интересных и нужных вещах). Палочки обеспечивают черно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки - именно поэтому ночью "все кошки серы". Для палочек излучения с разной длиной волны отличаются только яркостью, поэтому при низкой освещенности мы, не различая самих цветов, можем все же определить, что зеленое яблоко светлее красного. В сумерках палочки и колбочки работают совместно, а при повышении уровня освещенности палочки понемногу отключаются. Если вам доводилось встречать рассвет где-то на природе, вы наверняка отметили, что поначалу серый окружающий мир понемногу проявляется, раскрашиваясь в яркие цвета после восхода солнца.

Существует три типа колбочек, чувствительных к свету с разной длиной волны. Упрощенно можно сказать, что первый тип воспринимает световые волны с длиной от 400 до 500 нм (условно "синюю" составляющую цвета), второй - от 500 до 600 нм (условно "зеленую" составляющую) и третий - от 600 до 700 нм (условно "красную" составляющую). В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре света, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее. Рецепторы передают сигналы мозгу, а мозг интерпретирует эти сигналы как видение цвета. Исходя из этой особенности строения человеческого глаза можно сделать вывод, что цвет трехмерен по самой природе цветового ощущения.

Чувствительность глаза к попавшему излучению может быть оценена по целому ряду параметров. Во-первых, можно оценить яркостную чувствительность глаза. При оценке цвета по яркости, а следовательно, и по светлоте, необходимо помнить, что вклад в ощущение светлоты вносят как палочки, так и колбочки. При этом мощность излучений разного цвета, вызывающих одинаковое световое ощущение, изменяется в широких пределах.

Рис. 3

На рис. 3 показана кривая спектральной чувствительности глаза среднего человека, называемая также кривой относительной световой эффективности. Глаз наиболее чувствителен к зеленым лучам, наименее - к синим. Эта кривая не что иное, как КПД человеческого глаза. По ней легко определить, какая часть попавшего в глаз света "полезно используется" для создания светового ощущения. Как вы видите, для того чтобы синий цвет казался человеку таким же ярким, как желтый или зеленый, его реальная энергия должна быть в несколько раз выше. Экспериментально установлено, что среди излучений равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны 555 нм. Относительная спектральная световая эффективность (обозначаемая буквой v) этого излучения принята за единицу. При этом, как вы видите из рисунка, спектральная чувствительность зависит от внешней освещенности. В сумерках максимум спектральной световой эффективности сдвигается в сторону синих излучений, что вызвано разной спектральной чувствительностью палочек и колбочек. Именно этим объясняется пример из введения в тему: на рис. 4 указаны примерные значения v для красного и синего квадратов на свету и в темноте. Как видите, в темноте синий цвет оказывает большее влияние, чем красный, при равной мощности излучения, а на свету - наоборот.

Рис. 4

Кстати, если у вас не получилось добиться подобного результата, то вы, скорее всего, рассматривали данную картинку при свете лампы накаливания, в спектре которой синяя составляющая весьма и весьма мала... Попробуйте повторить эксперимент на улице или при лампах дневного света. Ну как, получилось? Вот вам и повод задуматься о возможности цветокалибровки: в зависимости от спектра источника освещения вы увидите совершенно разные цветовые гаммы.

Физиологические нюансы

Самой замечательной особенностью человеческого организма является то, что мы, люди то есть, не можем определять величины каких бы то ни было раздражителей в абсолютном виде. Мы не в состоянии выйти на улицу и сказать: "сейчас 19,863^oС", или, взглянув на яблоко, точно разложить его цвет в полиграфическую триаду³. Для этого нами были придуманы приборы, регистрирующие абсолютные значения. Человек же в состоянии определять только относительные изменения, опираясь либо на непосредственные сравнения двух разных величин, либо на сравнение величины с неким отложившимся в памяти значением. В первом случае можно добиться весьма впечатляющих результатов, во втором - только очень приблизительных.

В области цветового восприятия это приводит к тому, что мы можем различать два цвета по яркости или цветовому тону только в случае, если разница между ними превышает некоторое пороговое значение. На этом основана система измерений, связанная с отсчетом количества порогов от эталона. Число порогов различения по цветовому тону, яркости и насыщенности, естественно, ограничено. Поэтому число цветов, различаемых глазом, тоже конечно. В результате исследований определено, что глаз человека в состоянии различать до 100 тысяч цветов. При этом число различаемых цветов несветящихся тел гораздо меньше, что позволяет создавать систему оценки цвета, основанную не на измерении параметров, а на сравнении с образцом из каталога эталонов цвета. Именно такой оценкой занимается любой дизайнер, подбирающий цвет по книжке Pantone⁴.

В подтверждение пословицы "на вкус и цвет товарищей нет", не существует двух людей, одинаково воспринимающих один и тот же цвет. Это связано с тем, что число рецепторов, отвечающих за восприятие определенных длин волн, у каждого человека индивидуально. Восприятие цветов изменяется с возрастом, зависит от остроты зрения, от национальности человека, даже от цвета его волос и от того, что он ел (это не шутка: после еды повышается чувствительность глаза к коротковолновой - синей - части спектра). Правда, подобные различия относятся в основном к тонким оттенкам цвета, поэтому с некоторым допущением можно сказать, что большинство людей воспринимает основные цвета одинаково (за исключением, разумеется, дальтоников).

Психологические нюансы

Человеческое зрение представляет собой совершенно уникальный механизм. Одной из его особенностей является постоянно меняющаяся чувствительность, причем изменяется она по всем параметрам. Глаз постоянно приспосабливается к окружающим условиям, и подобная адаптация приводит к весьма интересным результатам. Рассмотрим только некоторые ее аспекты.

Во-первых, адаптация яркостная. В сумерках мы начинаем автоматически перестраивать чувствительность глаза так, чтобы воспринимать максимальный динамический диапазон. Иными словами, происходит подстройка черной и белой точки глаза, изменяется кривая передачи полутонов. Именно по этой причине многие начинающие фотолюбители так расстраиваются, получив из печати абсолютно "плоскую", неконтрастную фотографию. А беда в том, что камера-то адаптироваться не может...

Во-вторых, цветовая адаптация. Ее суть в том, что под влиянием предшествующих условий освещения цветовое восприятие смещается. Это известно любому, кто хоть раз занимался печатью фотографий. Если человек долго находится в комнате с насыщенным красным светом, то, выйдя из нее в помещение с нормальным освещением, на время адаптации окружающие предметы приобретут зеленоватый оттенок, что будет особенно заметно на белых участках. Это связано с тем, что при раздражении определенной группы колбочек в них распадается светочувствительный пигмент, в результате чего мы и видим цвет. Потом этот пигмент, естественно, регенерирует, но происходит это не мгновенно. Поэтому, если одна из групп рецепторов (в нашем примере - красночувствительная) работала особо интенсивно, то при рассматривании белого поля в данном месте сетчатки будут работать преимущественно зелено- и синечувствительные колбочки. Это предельный вариант цветовой адаптации; существуют и гораздо менее заметные, но куда более важные результаты этого процесса.

Видели ли вы когда-нибудь любительскую видеозапись, сделанную в квартире? Обращали внимание на неестественный красно-желтый оттенок? Это происходит потому, что камера честно регистрирует то, что есть на самом деле. А человеческий глаз интеллектуально убирает любую постоянную примесь цвета, компенсируясь к условиям освещения. Так, лампы накаливания имеют желтый оттенок; зимний дневной свет - синий, но интенсивность этих оттенков гасится глазом по вышеуказанной схеме. Здесь срабатывают как физиологические, так и психологические механизмы. Дело в том, что в нашей памяти заложены характеристики так называемых "известных цветов": бумаги, кожи человека, листвы и так далее. И мозг компенсирует цветовую вуаль, пересчитывая значения всех цветов, используя "известные" в качестве эталона. При этом в основном идет ориентация на нейтральные, ахроматические предметы. Так, если лист бумаги при комнатном освещении имеет желтый цвет, но мы точно знаем, что бумага белая, то мозг автоматически вычтет нужную долю желтизны для получения правильного восприятия. Компенсация эта не стопроцентна - мы все же видим бумагу желтоватой, - но весьма велика (сравните с тем, что вы увидите при просмотре любительской видеопленки). Естественно, если глаз убирает из спектра желтую примесь, это отражается и на цвете остальных объектов. Поэтому условия освещения играют такую важную роль в точной работе с цветом.

Из вышеизложенного можно сделать интересный вывод: если вы садитесь за свой не очень калиброванный монитор, цвета которого, к примеру, имеют голубоватый оттенок, через пятнадцать минут работы вы этот оттенок воспринимать уже не будете, если, конечно, не начнете сравнивать изображение на экране с чем-нибудь еще. Если у вас есть такая возможность - попробуйте переключить цветовую температуру монитора. Сначала изменение будет очень резким, но поработайте около десяти минут - и все вернется на круги своя...

И еще одно дополнение: именно на передачу "известных" или "памятных" цветов нужно обращать особое внимание при работе. Мы можем поверить в то, что кусты на заднем плане фотографии имеют зелено-коричневый оттенок, - бывает и такое, - но вот если на переднем плане мы увидим ярко-красное лицо, сразу отметим неправильную цветопередачу⁵.

В последующих номерах все эти методы и приемы будут разобраны по винтикам и разложены по полочкам, а пока, я думаю, вы и сами сумеете найти немало достойных областей применения изложенной здесь информации.

Еще ряд особенностей восприятия цвета связан с эффектами зрительного контраста.

Рис. 5

Одновременный контраст связан со зрительной индукцией, суть которой в том, что свет вызывает раздражение не только того участка сетчатки, на который падает, но и соседних, изменяя их реакцию в ту или иную сторону. Действие одновременного светового контраста проявляется в том, что объект на светлом фоне кажется темнее того же объекта на темном фоне (рис. 5). Еще один пример на рис. 6 показывает, как на пересечении белых линий, разделяющих черное поле, возникают серые пятна.

Рис. 6

Одновременный цветовой контраст приводит к тому, что цвет объекта, помещенного на цветной фон, смещается в сторону наибольшего отличия от цвета фона. Так, серый квадрат на красном фоне приобретает зеленоватый оттенок, а на синем - желтоватый. Желтый квадрат на красном фоне зеленеет, а на зеленом - приобретает оранжевый оттенок (рис. 7). В общем случае цвет объекта смещается в сторону наибольшего отличия от цвета фона.

Рис. 7

Последовательный контраст возникает в результате резкой смены зрительного образа и связан с инерционностью глаза. Последовательный образ от первого излучения складывается с ощущением от второго. Если вы рассматриваете яркий объект, после чего переводите взгляд на однородное цветовое поле, на нем возникнет сначала более светлый (положительный) образ, затем - менее светлый отрицательный. Посмотрите пример на рис. 8. Если долго смотреть на красный квадрат, а потом перевести взгляд на белое поле, возникнет зеленое фантомное изображение предмета⁶. В общем случае видимый фантомный цвет является приблизительно дополнительным к рассматриваемому.

Рис. 8

И, наконец, еще один из видов контраста - краевой, называемый также явлением Маха⁷. Взгляните на рис. 9. На стыке двух полей разной яркости приграничная часть темного поля становится еще темнее, а светлого, наоборот, светлее. Если вы закроете любое поле листом бумаги, впечатление неравномерности исчезнет. На использовании этого явления построен принцип "Нерезкого маскирования" или Unsharp Mask. Любой фильтр Unsharp Mask усиливает контрастность краевых участков изображения, создавая ощущение повышения резкости.

Рис. 9

Что же в результате? Получается весьма парадоксальный вывод: особенности человеческого зрения и восприятия цвета, индивидуальные для каждого человека, помогают нам жить. Но они же вызывают множество проблем в процессе воспроизведения этого самого цвета, причем связано это как с несовершенством технологий, так и с субъективностью восприятия. Как со всем этим жить дизайнеру - это вопрос для отдельной рубрики, краеугольный камень в которую и закладывает эта тема номера.

7 Не "Явлением Маха народу", а просто явлением Маха. Мах - это ученый такой.