Цветное зрение

Оптическая система глаза. Глаз человека состоит из оптической части и светочувствительного слоя - сетчатки.

К оптической части относятся те элементы, которые формируют оптическое изображение на сетчатке, перемещают оптическую ось в направлении центра внимания, фокусируют оптику глаза на рассматриваемую деталь объекта и изменяют относительное отверстие, диафрагму глаза.

Основной оптический элемент глаза, выполняющий роль объектива, - хрусталик - имеет форму линзы. Под действием мышц кривизна поверхности хрусталика изменяется, вследствие чего меняется фокусное расстояние оптической системы глаза. Таким образом осуществляется наводка на резкость при поочередном рассматривании близко и далеко расположенных предметов. Когда мышцы глаза ослабевают, как это происходит у пожилых людей, наводка на резкость-аккомодация глаза - осуществляется не в полной мере; кривизна поверхности хрусталика увеличивается недостаточно, и он действует как длиннофокусный объектив. Для того чтобы читать текст, приходится надевать очки. Тот факт, что мы рассматриваем предметы, изменяя фокусное расстояние оптической системы глаза, имеет принципиальное значение для художественной фотографии, так как позволяет получать выразительные снимки, применяя разно фокусные объективы.

В процессе поочередного рассматривания различно расположенных предметов наши глаза совершают скачкообразные перемещения от одного центра внимания к другому. Помимо этого каждый глаз независимо от другого совершает непроизвольные, очень быстрые перемещения, которые называются тремором.

Назначение тремора состоит в непрерывном изменении оптической картины на сетчатке глаза, так как зрительный образ формируется именно благодаря изменению лучистых потоков, попадающих на участки сетчатки. Вследствие регистрации сетчаткой многократных изменений глаз очень хорошо различает все мелкие детали, несмотря на несовершенство хрусталика как объектива. Быстрое перемещение глаза обусловливает также явление одновременного и пограничного контраста, о которых будет идти речь в дальнейшем.

Зрачок имеет черный цвет, потому что свет, проходящий через него внутрь глаза, обратно не выходит, так как поглощается светочувствительным слоем сетчатки глаза. Зрачок в зависимости от яркости освещения сокращается от 8 до 1,5 мм, что соответствует уменьшению лучистого потока, попадающего в глаз, примерно в 25 раз. Изменение диаметра зрачка - одно из средств, с помощью которого глаз приспосабливается к условиям освещения. Диаметр зрачка изменяется очень быстро при попадании в глаз прямого луча света от какого-нибудь яркого источника света. Зрачковый рефлекс выполняет роль предохранителя сетчатки от яркого солнечного света. Приспособление глаза к условиям освещения - адаптация глаза - осуществляется главным образом вследствие понижения светочувствительности сетчатки.

Проводя аналогии с фотоаппаратом и пленкой, можно сказать, что в процессе зрительного восприятия в основном меняется чувствительность слоя под действием освещения, диафрагму же используют при быстром изменении яркости освещения. Конечно, при малой яркости освещения относительное отверстие глаза открыто полностью, как у объективов при съемке с малым количеством света.

Светочувствительный слой глаза - сетчатка - состоит из нервных окончаний-фоторецепторов, чувствительных к свету, т. е. к электромагнитным колебаниям с длиной волны от 400 до 720 нм. Фоторецепторы расположены на внутренней оболочке глаза. На них проецируется оптическое изображение, как в фотоаппарате на пленку. Отличие состоит в том, что светочувствительный слой глаза не плоский, как фотопленка, а имеет форму сферы, что необходимо для создания резкого изображения.

Фоторецепторы делятся по виду, расположению и назначению на две группы.

Фоторецепторы, имеющие грушевидную форму, называются колбочками. Они реагируют на цветные излучения, как цветная трехслойная пленка, т. е. создают одновременно три цветоделенных сигнала - синий, зеленый и красный. Благодаря колбочкам мы различаем цвета по светлоте, цветовому тону и насыщенности. Они обеспечивают резкое цветное восприятие деталей объекта, на которые направлен взгляд.

Важно, что колбочки очень плотно заполняют центральный участок сетчатки - фовеа, - который выглядит желтым. Он занимает небольшую площадь, так что угловой размер ясного, резкого (цветного) зрения глаза в его неподвижном состоянии составляет всего 2°. За пределом центрального участка количество колбочек резко падает.

Фоторецепторы, имеющие продолговатую форму, называются палочками. Они, как и галогениды серебра в черно-белой пленке, реагируют главным образом на сине-зеленые излучения и создают ахроматическое черно-белое изображение объекта. Палочки отсутствуют в центральном участке сетчатки, а за его пределами плотность их сначала быстро увеличивается, а к периферии постепенно уменьшается. Таким образом, создаваемое палочковыми рецепторами черно-белое изображение оказывается не резким. Благодаря тому, что палочковые рецепторы заполняют периферию сетчатки, они позволяют замечать перемещения всех крупных объектов в широком угле зрения.

Процесс зрительного восприятия можно сравнить с телевизионной камерой, которая имеет два приемника: один - трехцветный, с угловым размером 2°, а другой - черно-белый, с большим угловым зрением. Процесс рассматривания сводится к перемещению центра внимания с одной сюжетно важной детали на другую при многократном повторении этого пути. Отличие от телевизионной ситемы состоит в том, что перемещение происходит не по строчкам, как на экране телевизора, а от одной детали к другой, чаще по контурам рассматриваемых предметов.

Палочковые рецепторы, создающие черно-белый образ объекта, примерно в 10 раз чувствительнее колбочковых рецепторов. Поэтому при ярком освещении действует главным образом колбочковый аппарат зрения, и рассматриваемый объект мы видим цветным. При понижении освещенности колбочковый аппарат начинает работать с "недодержкой", и поэтому мы не различаем цветов в тенях объекта. В первую очередь исчезают пурпурнокрасные, затем оранжево-желтые цветовые различия.

При дальнейшем понижении освещенности, когда светочувствительность колбочек недостаточна для формирования цветного зрительного образа, мы видим весь объект в черно-белых тонах. Поэтому палочковое зрение называется сумеречным. При сумеречном зрении все цвета мы видим ахроматическими. Недаром говорят: "Ночью все кошки серы". При фотосъемке, и в частности при выборе освещения, необходимо учитывать двойственность зрительного образа, а именно: сюжетно важные детали, на которые следует направить внимание зрителя, должны изображаться более резко и с большим цветовым контрастом.

Эффект усиления ахроматичности изображения при понижении яркости деталей и освещенности объекта имеет большое значение для цветового построения фотоснимка. Для того чтобы сосредоточить взгляд на сюжетно важных деталях, они должны быть ярче освещены, на них сильнее должны быть выявлены цветовые контрасты.

Если требуется создать ощущение яркого освещения, все детали как в светах, так и в тенях объекта должны быть одинаково контрастно проработаны. Если же в фотоснимке требуется создать ощущение пониженной освещенности, контрастность изображения в тенях объекта должна быть понижена, а в светах повышена.

Теория цветного зрения. Трехцветная теория цветного зрения, основанная Ломоносовым, впоследствии была развита Юнгом, Гельмгольцем и другими учеными. Согласно этой теории в сетчатке глаза, а точнее, в ее центральном участке имеются три типа рецепторов, одни из которых чувствительны к синим излучениям, другие - к зеленым, третьи - к красным. В результате воздействия света на эти элементы создаются соответственно три сигнала, подобные тем, которые получаются при фотографировании через синий, зеленый и красный светофильтры. Благодаря разнице возбуждений трех нервных окончаний мы видим все многообразие цветов: одни из них мы воспринимаем синими, другие - сине-зелеными и т. д. Эта модель цветного зрения применима к центральному участку сетчатки, где имеются только колбочковые рецепторы. Опытами удалось определить спектральные чувствительности трех колбочковых рецепторов. Установлено также, что в результате преобразования первичных сигналов, поступающих от колбочковых рецепторов, в сетчатке глаза создаются сигналы, соответствующие трем цветоделенным изображениям, подобным тем, которые получаются при съемке за тремя светофильтрами.

Таким образом, все трехцветные способы цветной фотографии базируются на трехцветной теории зрения. Вместе с тем некоторые эффекты зрительного восприятия не могут быть объяснены трехцветной теорией зрения и требуют учета палочкового зрения. Поэтому разработка новых теорий цветного зрения, как и модернизация существующих, продолжается, поскольку для разных способов более удобными оказываются разные модели. Например, для четырех красочных полиграфических процессов в некоторых случаях имеет смысл учитывать взаимодействие палочкового и колбочкового зрения.

Четырехцветная модель, учитывающая влияние палочковых рецепторов, позволяет объяснить допустимость прямо пропорционального уменьшения насыщенности всего многообразия цветов. Она объясняет также допустимость черно-белых изображений, так как при слабом сумеречном освещении все объекты мы видим черно-белыми благодаря колбочковому зрению.

Помимо трехцветной теории зрения существует еще теория доминантных цветов, которая объясняет некоторые факты, весьма важные для художественного воспроизведения. Например, наибольшую различимость зеленых и красных и меньшую различимость синих и желтых Цветов.

Следует заметить, что среди окружающих предметов весьма редко встречаются сине-пурпурные, а также сине зеленые цвета, именно поэтому для нас привычнее зеленокрасные контрасты, чем контрасты дополнительных цветов с пурпурно-синими и сине-зелеными цветами.

Зрительное восприятие определяется не только спектральной чувствительностью рецепторов, но и градационными преобразованиями сигналов, создаваемых этими рецепторами. Градационные преобразования сигналов в сетчатке глаза подобны тем, которые происходят в фотографическом процессе - при экспонировании и проявлении скрытого изображения, - они существенно зависят от освещенности объекта.