Меню

Как появляется цвет у предметов



Как появляются цвета

Как появляются цвета.

Вы любите рисовать? И конечно же вам нравится это делать цветными, яркими карандашами, фломастерами, красками. А каким образом появляются цвета и как мы их видим? Думаю что этого вы еще не знаете, но вам будет интересно разобраться в этом. Итак.

Цвет — это свойство восприятия человеком объектов — предметов и всего что нас окружает.Ученые считают, что многие животные почти не различают цветов, а у некоторых и вовсе зрение черно-белое. Известно, что свет распространяется в пространстве волнами, напоминающими движение волн в водоемах. Цвет же зависит от длины световой волны.

Цвет какого-либо объекта (предмета) зависит от того, как он отражает свет с разной длиной волны. Обычный дневной свет или свет достаточно ярких ламп более менее «белый», то есть в нём представлены лучи света самой разной длины. Самые короткие из видимых — это волны фиолетового цвета. А самые длинные волны — красные. Между ними располагаются все остальные цвета, каждый из которых имеет свою длину волны.

Большинство цветов, которые мы видим, состоят не из одной и той же длины волны, а из смеси разных длин. Так например лиловый цвет, это смесь красного и фиолетового; коричневый — состоит из смеси красного, оранжевого и желтого. Различные оттенки какого-либо цвета образовываются путем добавления небольшого количества белого. Например, если смешать красный и белый цвета,то получится розовый.

Почему предметы имеют определенный цвет? Когда белый свет падает на предмет, некоторые световые волны отражаются от него, а некоторые поглощаются. Так предмет красного цвета поглощает почти все световые волны, за исключением красных. Их он отражает, они поступают к нам в глаза, и предмет видится нам красным.

Почему мы видим цвета, ведь как мы упомянули выше, животные их видеть не могут? Наш человеческий глаз видит цвета благодаря тому,что в нем есть два типа клеток, отвечающих за зрительное восприятие — «палочки» и «колбочки». Колбочки как раз и отвечают за восприятие цвета, то есть за то что мы видим цвета. У животных же в отличии от человека таких колбочек очень мало, поэтому они почти не видят цвета.

Источник

Физика цвета

Что такое цвет с точки зрения физики? Вопрос не такой уж простой, как кажется на первый взгляд. Цвет есть физическое свойство света. С точки зрения физики разные цвета предметов не существуют сами по себе.

Физика рассматривает цвет как электромагнитную волну. Любая волна имеет длину – расстояние между гребнями. Длина волны обратно пропорциональна ее частоте. Та длина волны, которую способен воспринимать человеческий глаз является видимым светом. Свет с большой длиной волны(низкочастотные волны) наш глаз воспринимает как красный, а свет с наименьшей длиной(высокочастотные волны) — как фиолетовый. Да, звучит немного заумно, но из этого следует, что цвета которые мы воспринимаем различаются в зависимости от длины волны(частоты) видимого света. Каждому цвету спектра соответствует свой диапазон частот.

Почему мы видим цвет так?

Природа подарила человеку радость цветового восприятия: мы видим всё окружающее в многообразии цветов и оттенков и даже не задумываемся о том, что может быть иначе. Основная причина того, что мы видим цвет именно таким, заключается в воздействии света с определенной длиной волн на сетчатку глаза. Свет с самой большой длиной волны называется инфракрасным, а свет с максимально короткой длиной волны – ультрафиолетовым. Но, человеческому глазу не доступен ни инфракрасный, ни ультрафиолетовый свет, при этом мы воспринимаем большой диапазон волн других цветов.

Например, при падении на предмет белого светового луча большинство из составляющих его световых волн поглощается поверхностью, и лишь некоторая часть, находящаяся в определённом диапазоне, отражается. Световые волны этого диапазона мы и воспринимаем как цвет, присущий предмету. Фактически цвет у предметов появляется только при попадании на них света. К примеру, достаточно посмотреть на банан – этот фрукт поглощает весь свет кроме желтого, который собственно вы обычно и видите.

Анатомия человека

Особенности восприятия наших зрительных органов и преобразования зрительных импульсов мозгом позволяет человеку увидеть яркую цветную картинку. Свет воспринимается в слое клеток, который покрывает заднюю поверхность глазного яблока и называется сетчаткой. Имеются три типа воспринимающих свет клеток — колбочек, которые реагируют примерно на красный, зеленый и синий свет. Каждая колбочка отправляет в мозг сигнал — и вы видите какой-то цвет. Остальные цвета получаются путем совместной передачи сигналов от нескольких типов колбочек и их смешивания нашим мозгом. Например: красный + зеленый = желтый

Когда света недостаточно, в сетчатке активизируется клетки-палочки. Так как их существует только одна разновидность, то только один тип сигнала может поступить в мозг: есть свет или нет. Глаз не может выделить в отражаемых волнах цветовые диапазоны и все предметы кажутся серыми либо чёрными. Вспомним народную поговорку: «Ночью все кошки серы».

Невидимые цвета

Человеческий глаз способен воспринимать как длинные, так и короткие волны, но, с обеих сторон диапазона существуют излучения, свет от которых мы попросту не можем увидеть. Более короткие чем ультрафиолетовые и более длинные чем инфракрасные волны мы попросту не замечаем. Дальтоники, из-за различного рода отклонений в восприятии света, не способны воспринимать даже видимую часть светового спектра.

Существуют так же цвета, которые человек не может увидеть из-за особенности функционирования нашего мозга. Человеку трудно увидеть красный с зеленым оттенком и желтый с синим оттенком. Почему так происходит можно узнать из статьиНевозможные цвета.

И кстати, по мнению ученых, мир выглядит либо абсолютно черным, либо полностью белым, то есть без цветового восприятия наша жизнь была бы крайне мрачной и скорее походила бы на декорации какого-то фантастического фильма.

Читайте также:  С чем носить мятный цвет зимой

Источник

Как мы воспринимаем цвет. Занимательные факты. Просто об очень сложном

Фото сетчатки в разрезе с электронного микроскопа.

Дорогие читатели, в этой статье о цвете я не буду приводить аналогии с цифровым фотоаппаратом и фотошопом для «лучшего» понимания физиологии зрения, как не делал этого и в прошлой статье «О разрешении нашего зрения». Такой приём, при кажущемся удобстве, только усложнит картину мира и запутает вас. Буду вести рассказ последовательно и в меру сложно.

Предисловие: краткая теория цвета и света


Видимый диапазон.

Свет — это электромагнитные (ЭМ) волны. Из всего разнообразия ЭМ излучения, как видно на картинке выше, наши глаза регистрируют только очень маленькую часть спектра.

Цвет характеризуется тремя величинами:

  1. — Тон
  2. — Насыщенность
  3. — Светлота

Тон — это разные цвета (разные длины волн): синий, красный, зелёный.
Насыщенность: розовый — это ненасыщенный красный.
Светлота: розовый — это светло-красный, а бордовый — тёмно-красный.


Спектр солнечного света.

Свет от солнца мы видим почти белым с лёгким смещением в жёлтый. Для удобства солнечный свет будем принимать за эталон. На графике выше видно, что атмосфера хорошо поглощает и рассеивает фиолетовую и синюю части спектра (теперь вы знаете, почему небо синее. Для лучшего понимания этого можно почитать про «Рэлеевское рассеяние»).

Почему мы видим зелёные растения зелёными? Потому что они поглощают весь видимый свет, кроме зелёной части, которая отражается и попадает на сетчатку.

Цветовая адаптация или почему цвет на фотографии часто не совпадает с тем, что мы видели своими глазами?
В ходе эволюции наша зрительная система приобрела такое свойство как корректировка ощущения цвета знакомых объектов. В фототехнике эта функция называется баланс белого (ББ). Такая автокоррекция цвета в зрительной системе потребовалась нам по многим причинам — одна из них, чтобы мы могли адекватно различать цвет плодов на деревьях в разных условиях освещения… Иначе ели бы их только днём или утром, потому что видите ли, у них цвет не такой и померли бы с голоду)
Когда мы смотрим, например, на белую машину при утреннем освещении, дневном и на закате, то выглядит она так же ± белой, с поправкой на лёгкие оттенки. Но когда эту же сцену снимаем на камеру, то с утра машина — серо-синяя, днём — белая, а на закате — оранжевая!
Так где же истина?
Предположим, у нас есть фотоаппарат, который откалиброван только на белый свет, допустим 5500К. В этом случае он будет показывать цвет объектов таким, каков он есть в реальности, т.е. белая машина будет «краситься» в зависимости от окружающего освещения. Вопрос в том, насколько комфортно нам рассматривать такое фото и какую пользу мы можем получить от «искажённых» цветов. Наши глаза всё равно будут делать поправку на баланс белого при реальном просмотре сцены, так уж мы устроены.
Поэтому самая современная фото-видеотехника умеет настраивать ББ очень близко к тому, как он работает в наших глазах. С каждым годом алгоритмы ББ улучшаются, и чем дороже камера, тем ближе к нашему восприятию она выдаст картинку.

И последний факт перед погружением в физиологию: быстрее всего наша зрительная система реагирует на длину волны света 555 нм — это зелёный цвет с примесью жёлтого. Почему так сложилось? Это вопрос к эволюционной биологии — значит, нашим предкам в какой-то долгий период развития было необходимо хорошо различать этот цвет.

На графике ниже можно увидеть максимум чувствительности для дневного света и для сумерек:

Начнём с общей структуры сетчатки.

И ещё одна схема для закрепления знаний — всё то же самое, но вдруг кому-то так удобнее:

Обратите внимание на красные стрелочки внизу картинки — они указывают путь света сквозь структуры сетчатки. В верхней части схемы показаны рецепторы — палочки и колбочки.
Кого-то из вас может смутить то, что свет попадает сначала на нейроны в сетчатке, а потом на сами рецепторы.

«Как же так? Должно быть наоборот!» — скажете вы. Увы, так «распорядилась» эволюция.

По одной из гипотез, фотороцепторы располагаются ближе к находящемуся сзади пигментному слою, в котором находятся ферменты, участвующие в регенерации фотопигментов.
По другой — нашими очень далёкими предками были ланцетники, чьи глаза находились как бы внутри черепа и улавливали свет сквозь прозрачный скелет, соответственно фоторецепторы были направлены в сторону падающего света. В итоге по ходу всех шагов эволюции сетчатка «не захотела» разворачиваться).

Но не стоит переживать — если вы читаете этот текст и различаете цвета, значит у эволюции всё же получилось) Все слои нейронов сетчатки довольно прозрачны для видимого спектра — этого достаточно, чтобы свет попал на колбочки и палочки с минимальными искажениями.

Итак, сетчатка состоит из трёх типов рецепторов:

Палочки содержат пигмент родопсин. Его наибольшая чувствительность находится в области около 510 нм — бирюзовый цвет.

Колбочки содержат пигмент йодопсин в трёх вариациях. Каждый колбочковый пигмент состоит из хромофора (производное ретинола(витамина А)) и опсина . Хромофор во всех колбочках одинаковый, в то время как опсин разный — это отличие как раз и задаёт разные спектры поглощения!

Немного о видах сигнала

Ниже показана фотография отдельного фоторецептора, помещённого в сверхтонкую пипетку.
На рецептор направлена полоска монохроматического света. Этот метод позволил измерить мембранный ток фоторецептора.

Процесс поглощения фотона и образования сигнала на выходе фоторецептора — фототрансдукция.

При попадании кванта света на фоторецептор в нём происходит распад пигмента и последующий каскад реакций. Рецептор гиперполяризуется от -40мВ до -70мВ. Сигнал на выходе из рецептора не импульсный, а градиентный, т.е. его напряжение зависит от интенсивности света. В результате прекращается передача глутамата от фоторецептора на синапс биполярной клетки и начинается выход нейромедиатора с биполярной на ганглиозную клетку. С ганглиозной клетки выходит импульсный сигнал (потенциал действия ПД), он имеет постоянную амплитуду и длину импульса.

Читайте также:  Какие цвета надо смешать чтобы получить коричневый гуашью

Если на ганглиозную клетку поставить электрод и подключить его к аудио-системе, то при активации этой клетки можно услышать такой сигнал:

Пики поглощения колбочек:

  • коротковолновые (S) — 426 нм,
  • средневолновые (M) — 530 нм,
  • длинноволновые (L) — 557 нм.

Обратите внимание на то, что выше указаны именно пики поглощения цвета. Т.е. каждая колбочка реагирует ещё и на соседние цвета с плавным спадом чувствительности.

Колбочки имеют широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием. Например, свет с длиной волны 650 нм (красный) вызовет наибольшую реакцию у длинноволновых колбочек и совсем слабый ответ у средневолновых. Т.е. по аналогии — «зелёные» колбочки реагируют не только на зелёный, но и немного на соседние цвета.

Интересный факт, над которым учёные бились почти два столетия — почему при смешении синей и жёлтой красок получается зелёный цвет? Но если взять два источника света, перед одним поставить синее стекло, а перед другим — жёлтое, то в результате смешения получится белый! Этот вопрос удалось решить Герману Гельмгольцу.

Как читать график выше (смешение пигментов)? Очень важно понимать, что жёлтый в данном случае — это не чистый жёлтый с узким спектром в 580 нм, а широкополосный, т.е. это смесь жёлтого с зелёными и красными волнами.

Синий тоже не чистый спектр в 480 нм, а смесь синего с фиолетовым и зелёным.
В результате две смешанные краски или два стекла синего и жёлтого цветов, стоящие друг за другом, поглощают из белого цвета все длины волн, кроме средних — зелёных.

Если же взять монохроматические фильтры на 480 нм и 580 нм и поставить их друг за другом, то сквозь них не пройдёт ничего — не будет перекрытия спектра!

Если осветить белую стену жёлтым и синим фонарями, в результате получится белый цвет. Так происходит по причине «широкополосной» активации колбочек, т.е. всего двумя цветами стимулируются все три типа колбочек и в итоге мы ощущаем белый цвет. По этому принципу работают белые светодиоды — сам излучатель даёт синий цвет, его накрывают жёлтым люминофором — получаем белый свет.

Интересная заметка в книге «Глаз, мозг, зрение» Дэвида Хьюбела на 179 стр.:
«В одной книге, посвященной ткацкому делу, в главе, излагающей теорию цвета, я нашел утверждение, что если вы смешаете в ткани желтые и синие нити, то получите зеленый цвет. На самом же деле получится серый цвет — по биологическим причинам.»

UPD: вопрос про особенности восприятия фиолетового цвета, заданный в комментариях под этой публикацией, был изучен. Ответ ниже.
Почему при попадании на сетчатку фиолетового цвета мы ощущаем его как синий с примесью красного?
Нужно внести маленькое уточнение в терминологию:
— фиолетовый — это спектральный цвет, т.е. цвет, который можно описать одним значением длины волны;
— пурпурный — смешанный или неспектральный цвет, т.е. его можно получить, смешав красный и синий цвета.
На графике спектральной чувствительности фоторецепторов видно, что длинноволновые колбочки имеют небольшой пик в области 400 нм — они активируются, когда мы смотрим на что-то пурпурное (или фиолетовое, кому так больше подходит).

Маленькая загадка (ответ в спойлере ниже).
Вы видели в некоторых фильмах сцены, когда спецназ летит в вертолёте на задание, предположительно в тёмный лес или в тёмное время суток, а в салоне всё освещено красным светом. Чтобы освежить память, можно пересмотреть такой эпизод в начале фильма «Хищник».
Вопрос: зачем и почему именно красный?
Подсказка: вернитесь немного назад и внимательно проанализируйте спектры поглощения рецепторов.

Ещё немного физиологии

Слои нейронов сетчатки (по направлению прохождения сигнала):

  1. Фоторецепторы
  2. Горизонтальные клетки
  3. Биполярные клетки
  4. Амакриновые клетки
  5. Ганглиозные клетки

Горизонтальные клетки — отвечают за первичное усиление контраста изображения. Они собирают информацию с нескольких фоторецепторов и образуют первый этап рецептивных полей.

Биполярные клетки — одна из функций этих нейронов — передача сигнала от фоторецепторов к ганглиозным нейронам. Ближе к центру сетчатки один фоторецептор даёт сигнал на один биполяр, дальше от центра происходит конвергенция сигнала, т.е. один биполяр собирает сигнал от множества палочек. Как пример, на периферии зрительного поля на одну такую клетку могут поступать сигналы от 1500 палочек, что позволяет получить хорошую чувствительность зрения при слабом освещении.

Амакриновые клетки — так как на сегодня обнаружено более 33 подтипов данных нейронов, не вижу возможности описать их функции в нескольких абзацах. (Если у кого-то из читателей этой статьи будет свежая информация, то я с удовольствием её добавлю)

Ганглиозные клетки — основная функция — сбор сигнала от предыдущих слоёв нейронов и конвергенция в зрительный нерв. Суммарное количество фоторецепторов сетчатки 100-120 млн — будет превращено в 0,7-1,5 млн нервных волокон в зрительном нерве.
Ещё одна важная функция подтипа ганглиозных клеток ipRGC — регулирование циркадных ритмов в зависимости от яркости освещения и контроль светового рефлекса зрачка.

Теории цветового зрения

Описание теорий сделаю максимально кратким, потому что подробное изложение потянет на отдельную статью. Кому будут нужны подробности — список литературы в конце.

Первую теорию цветового зрения на рубеже 18-19 веков предложили, независимо друг от друга, Джордж Пальмер и Томас Юнг. Она получила название Трихроматическая теория.

Читайте также:  32768 что за цвет

Эта теория предполагала наличие трёх типов рецепторов в сетчатке, которые порождают физиологическое ощущение красного, зелёного и синего. Промежуточные оттенки соответственно были истолкованы комбинацией базовых цветов (кардиналов).

Трихроматическая теория очень хорошо объясняет виды цветовой слепоты.

Чтобы понимать механизмы дальтонизма можно прибегнуть к такому эксперименту — предположим, у нас есть пациент страдающий монохромазией (все колбочки в его сетчатке имеют только один пигмент, не важно какой). На сетчатку данного человека посылается поток из 100 фотонов с длиной волны 520 нм (зелёный), а после — 100 фотонов 650 нм (красный). Наш монохромат не получит само ощущение цвета, но сможет отличить эти цвета по их яркости, так как короткие волны обладают большей энергией и их воздействие на фоторецепторы сильнее.

Если же количество длинноволновых фотонов увеличить, чтобы в итоге они вызывали такое же яркостное ощущение как и коротковолновые, то наш больной уже не сможет увидеть различия в источниках света.

Так происходит потому, что фоторецепторы на выходе из сетчатки выдают аналоговый импульсный сигнал — он не способен кодировать информацию о цвете.

Для минимального различия цветовых стимулов в сетчатке должны быть минимум два вида колбочковых пигментов. В этом случае сигнал разных уровней, идущий по разным нервным волокнам, будет в дальнейшем интерпретирован в цвет в зрительной коре.

Так и работают тесты для дальтоников — паттерны изображены разными цветами одинаковой яркости.

Ещё раз про вид сигнала — это аналоговые импульсы, не двоичный код. Сигнал несёт импульсы одинаковой амплитуды, но при этом может изменятся сама частота импульсации — 30 импульсов в секунду или 100.

Трихроматическая теория при всём своём успехе имела ряд недостатков — например, она не могла описать, почему при цветовой слепоте цвета никогда не пропадают единично (только красный или только синий) — хотя по логике самой теории должно быть именно так. А получается попарное выпадение цветов — зелёный вместе с жёлтым или красный и синий.

Примерно в 1870 году на сцену выходит Геринг со своей Опонентной теорией.

Кратко — суть теории в том, что она предлагает четыре базовых цвета, а не три. Эти цвета противоположны (оппонентны) друг другу:

  • красный/зелёный
  • жёлтый/синий
  • чёрный/белый

После этих строчек некоторые из вас, кто хорошо шарит в фотошопе, уже начали о чём-то догадываться.

Сегодня для описания принята Теория двухэтапного цветового зрения или Теория двойной обработки. Её основоположником был Адольф фон Криз. Но свой финальный вид она обрела в 1957 г. благодаря физиологам Лео Гурвичу и Доротее Джеймсон.

Эта теория объединяет две предыдущих — показывая, что они не противоречат, а дополняют друг друга.

Благодаря развитию методов исследования в физиологии сейчас мы знаем, что первый этап обработки описывается трихроматической теорией, а второй — оппонентной.

С развитием молекулярной генетики были установлены пики поглощения для трихроматов:

  • короткие волны 426 нм
  • средние волны 530 нм
  • длинные волны 552 или 557 нм

Что за неразбериха с длинными волнами? Оказывается, возможны генетические различия в формировании пигментов для фоторецепторов, чувствительных к длинным волнам. Это было подтверждено экспериментами по трихроматическому уравниванию.

Да, само ощущение цвета у всех нас немного отличается только по этой причине, но это вариант нормы.

Есть ещё и аномальные трихроматы, у которых имеются все необходимые пигменты, но они синтезируются в сетчатке в совершенно других пропорциях — из-за этого тот цвет, который вы ощущаете как синий, аномальный трихромат может ощущать как красный и есть большая вероятность, что и назовёт он его синим, так как в итоге он имеет все три вида пигментов, позволяющих ему просто различать цвета. Таких аномальных трихроматов можно выявить всё тем же трихроматическим уравниванием.

Подведём итог по теории двухэтапного цветового зрения. Все этапы обработки происходят на уровне сетчатки, прошу не путать с возникновением самого ощущения цвета в отделах зрительной коры.

  1. разделение света на три базовых цвета — Трихроматическая теория
  2. преобразование трёх цветов в три опонентные пары — Опонентная теория
  3. интерпретация сигнала в латеральном коленчатом теле ЛКТ
  4. формирование цветового феномена в зрительной коре

Помню, что обещал не приводить аналогий с программами или устройствами, но на этом моменте придётся согрешить. Теория двухэтапного цветового зрения является полным аналогом конвертации цвета из системы RGB в систему LAB в фотошопе:

  • RGB содержит три канала — в каждом по одному цвету
  • LAB содержит три канала. Каналы a и b имеют по два цвета, а канал Lightness — чёрный и белый

Схема ниже показывает возможную организацию нейронных сетей при переходе от трихроматического этапа к оппонентному:

Каков дальнейший путь сигналов из сетчатки после ЛКТ?

До недавнего времени областью зрительной коры, ответственной за распознавание цвета, считалась зона V4.

В 2018 году были проведены исследования по обновлению картирования мозга. Для этого использовались методы объединения данных фМРТ с ретинотопными данными. В результате оказалось, что в коре нет единственного центра, отвечающего за обработку цвета, этим занимаются минимум 6 зон, среди них зона, чувствительная к движению:

  • V1
  • V4
  • V8
  • VO
  • LOC
  • MT +

Сами механизмы обработки цвета (формирования цветового ощущения) до сих пор детально не описаны.

Понимаю, что изложение вышло слегка сумбурным, потому что пришлось изучить сотни страниц учебников и исследований. Надеюсь, вам было понятно и интересно 🙂

Дэвид Хьюбел — «Глаз, мозг, зрение»
Стивен Палмер — «От фотонов к феноменологии»
Баарс Б., Гейдж Н. — «Мозг, познание, разум»
Джон Николлс, А. Мартин, Б. Валлас, П. Фукс — «От нейрона к мозгу»
Маргарет Ливингстон — «Искусство и восприятие. Биология зрения»

Источник