Как мы видим и различаем цвета. Цветное зрение помогает нам запомнить объекты и активизирует наши эмоции. Но знаете ли Вы, что объекты не имеют цвета? То, что мы видим на самом деле — это отражения световых волн и наш мозг интерпретирует их как цвет.
Видимый спектр для людей включает все цвета от фиолетового до красного. Подсчитано, что люди могут различать до 10 миллионов оттенков.
Когда свет попадет на объект, он поглощает часть этого света и отражает остальное, что проходит в наш глаз через роговицу, то есть внешнюю часть глаза. Роговица преломляет этот свет для его прохождения через зрачок, который регулирует количество света, попадающего на хрусталик. Он, в свою очередь, фокусирует свет на сетчатке, на слое нервных клеток, расположенных в глазном дне.
Как палочки и колбочки влияют на восприятие цвета?
В сетчатке имеются два типа клеток, которые реагируют на свет и поглащают его. Это палочки и колбочки, светочувствительные клетки, известные как фоторецепторы. Колбочки активируются в условиях низкой освещенности. Тем временем как палочки, стимулируются при большей освещённости. У большинства людей есть около 6 миллионов колбочек и 110 миллионов палочек.
Наглядный пример того, как мы видим и различаем цвета: при дневном свете отраженный от лимона свет активирует два типа колбочек — красные и зелёные. Колбочки посылают это сигнал через зрительный нерв в зрительную зону коры головного мозга, который обрабатывает количество активированных колбочек и силу посылаемого сигнала. После обработки нервных импульсов клетками головного мозга мы видим цвет, который в данном случае является жёлтым.
В темноте, отражённый от лимона свет стимулирует только палочки, поэтому мы не видим цвета, а только оттенки серого.
Тем не менее, наш предыдущий визуальный опыт с объектами также влияет на восприятие цвета, известного как постоянство воспринимаемого цвета. Это постоянство гарантируют нам, что восприятие цвета объекта остается неизменным в различных условиях освещения. Даже если мы поместили лимон под красным светом, мы продолжаем воспринимать его как жёлтый.
Аномалии цветового зрения
Аномалии цветового зрения могут произойти, если один или несколько типов колбочек не воспринимают свет так, как должны. Может быть, что колбочки отсутствуют, не функционируют или не правильно различают цвет. Дальтонизм (не способность различать красный и зеленый цвета) является наиболее распространенной аномалией.
Исследователи подсчитали, что почти 12% женщин имеют 4 типа колбочек, вместо 3, что позволяет им различать количество цветов в 100 раз выше, чем те, у кого их только 3.
В животном мире, некоторые птицы, насекомые и рыбы также имеют 4 типа колбочек, позволяющие им видеть ультрафиолетовое излучение, не поспринимаемое человеческим глазом. Другие животные, как собаки, имеют меньше типов колбочек, что делает их цветовое зрение ниже, чем у людей.
Но восприятие цвета человеком связано с его психикой.
Глаза получают некоторую зрительную информацию (но не «видят» в прямом смысле слова), она передается в мозг, который ее обрабатывает, и только после этого мы способны различать предметы.
Хотя мы «видим» нашим мозгом и им же различаем цвета, глаза выполняют очень важную и незаменимую функцию. Они воспринимают семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Одни рецепторы сетчатки раздражаются сумеречным светом, другие - только ярким, с ними и связано цветное зрение.
Как глаз различает цвета?
Вот как объясняет это теория цветного зрения Янга-Гельмгольца. Глаз содержит три вида нервных клеток, реагирующих соответственно на красный, зеленый, голубо-фиолетовый цвет.
Таким образом, если все три вида нервных клеток получают одинаковое раздражение, мы видим белый. Если в попадает в основном зеленый свет, клетки, отвечающие за зеленую часть спектра, возбуждаются больше, чем другие, и мы видим зеленый. Когда предмет желтый, стимулируются «зеленые» и «красные» клетки.
Как видит человек?
Зрение человека - очень сложный многоуровневый процесс обработки изображений окружающих объектов, дающий возможность получить информацию об их форме, величине, цвете и расположении. Зрение следует рассматривать с точки зрения оптики, физиологии и психологии. Поэтому в двух словах объяснить, как видит человек, вряд ли возможно. Рассмотрим этот процесс подробно.
Оптическая природа зрения человека
Основными оптическими органами зрительной системы человека являются глаза, которые имеющимися в них фоторецепторами воспринимают лучи света, отраженные от различных предметов. Происходит это следующим образом: попадая в глаз через зрачок, лучи преломляются в хрусталике и падают на сетчатку, которая выстилает глазное дно. Именно в сетчатке и находятся особые клетки, которые способны воспринимать свет. Попадая на них, фотоны света вызывают в рецепторах ряд химических изменений, создавая тем самым нервные импульсы, которые по зрительным нервам передаются в головной мозг. В зрительном центре, который расположен в коре мозга, полученная закодированная информация расшифровывается, обрабатывается, в результате этого процесса и формируется изображение, которое мы видим.
Как видит человек: физиологическая точка зрения
- Хрусталик располагается напротив зрачка внутри глазного яблока и является маленькой двояковыпуклой биологической линзой, в которой преломляются лучи света. У здорового человека хрусталик очень эластичен и может менять свою преломляющую способность на целых 14 диоптрий. Это позволяет человеку одинаково четко видеть те предметы, что находятся у него буквально под носом, и те, которые удалены на большое расстояние. Минимальное расстояние, на котором мы можем хорошо рассмотреть предмет, приблизительно равно пяти сантиметрам, а максимальное сильно зависит от количества света, испускаемого объектом. Ученые утверждают, что фигуру человека можно различить на расстоянии трех километров, а пламя горящей свечи видно аж за семь километров. Иногда бывает так, что хрусталик теряет свою способность к аккомодации и не может правильно фокусировать изображение на сетчатке глаза. Если фокус изображения оказывается позади сетчатки, у человека диагностируют дальнозоркость, а если перед сетчаткой - то близорукость. Сейчас эти дефекты легко корректируются с помощью очков или контактных линз.
- Сетчатка глаза покрывает примерно 70% всей площади внутренней поверхности глазного яблока. Именно в ней расположены все светочувствительные клетки, подразделяющиеся на колбочки и палочки. Палочки ответственны за работу механизма ночного зрения. С помощью них человек может видеть в полутьме, но изображение, которое они обеспечивают, лишено цвета и напоминает картинку на экране черно-белого телевизора. Колбочки же активны при более интенсивном освещении и отвечают за дневное зрение, которое позволяет нам видеть цвет всех предметов.;
Как человек видит мир в цвете
В сетчатке находится три вида колбочек - рецепторов цвета, максимально чувствительных соответственно к красному, синему и зеленому участкам спектра. Соответствие колбочек этим трем основным цветам обеспечивает человеку возможность распознавать тысячи различных оттенков цвета. Если же в сетчатке из-за недостатка определенного вида палочек появляется проблема с восприятием одного из базовых цветов, у человека возникает недостаток зрения, называемый дальтонизмом. Он не видит определенную группу оттенков, и все они ему кажутся серыми. Теперь, когда мы рассказали о том, как видит человек, настало время поговорить об основных свойствах его зрения.
Основные свойства зрения человека
Стереоскопическое зрение
Помимо цвета, человек также способен видеть объем пространства. Достигается это за счет эффекта слияния изображения при взгляде на предмет двумя глазами. Такое зрение по-научному называется бинокулярным.
Световая чувствительность
Способность человеческого глаза распознавать различные степени яркости светового излучения называют светоощущением. Максимальная чувствительность глаза к свету достигается после длительной адаптации к темноте. Считается, что продолжительный взгляд на красный свет может повысить световую чувствительность глаз на некоторое время.
Острота зрения
Способность разных людей видеть различное количество деталей одного и того же предмета с одинакового расстояния называется остротой зрения. Острота зрения в основном предопределена генетически и зависит от возраста человека, ширины его зрачка, эластичности хрусталика и количества и величины колбочек, расположенных в сетчатке глаза.
Цвет одно из свойств объектов материального мира, воспринимаемое как зрительное ощущение. Зрительные ощущения возникают под действием на органы зрения света электромагнитного излучения видимого диапазона спектра. Диапазон длины волны зрительных ощущений (цвета) находится в пределах 380-760 мкм. Физические свойства света тесно связаны со свойствами вызываемого ими ощущения: с изменением мощности света меняется яркость цвета излучателя или светлота цвета окрашенных поверхностей и сред. С изменением длины волны меняется цветность, которая идентична с понятием цвета, ее мы определяем словами «синий», «желтый», «красный», «оранжевый» и пр.
Характер ощущения цвета зависит как от суммарной реакции чувствительных к цвету рецепторов глаза человека, так и от соотношения реакций каждого из трех типов рецепторов. Суммарная реакция чувствительных к цвету рецепторов глаза определяет светлоту, а соотношение ее долей цветность (цветовой тон и насыщенность). Характеристиками цвета являются цветовой тон, насыщенность и яркость или светлота.
А.С.Пушкин определил цвет как «очей очарованье», а ученый Шредингер как «интервал излучений в световом диапазоне, который глаз воспринимает одинаково и определяет как цвет словами “красный”, “зеленый”, “синий” и т.д.».
Таким образом, глаз интегрирует (суммирует) определенный интервал световых излучений и воспринимает их как единое целое. Ширина этого интервала зависит от множества факторов, в первую очередь от уровня адаптации глаза.
Цвет как феномен зрения и объект изучения
Цвет деяние света,
деяние и страдательные состояния.
И.В.Гёте
Цвет сообщает вещам и явлениям форму, объем и эмоциональность при их восприятии. У большинства биологических видов световые рецепторы локализованы в области сетчатки глаза. Усложнение светового анализатора происходило по мере развития биологической линии. Высшее достижение природы зрение человека.
С возникновением цивилизации роль цвета возросла. Искусственные источники света (излучатели с ограниченным спектром электромагнитного излучения энергии) и краски (чистый бесконечный цвет) можно рассматривать как искусственные средства синтеза цвета.
Человек всегда пытался овладеть способностью влиять на свое душевное состояние через цвет и использовать цвет для создания комфортной среды обитания, а также в различных изображениях. Первые способы применения цвета в ритуальной практике связаны с их символической функцией. Позже с помощью цветов стали отображать воспринимаемую реальность и визуализировать абстрактные понятия.
Наивысшим достижением в овладении цветом является изобразительное искусство, использующее экспрессивные, импрессивные и символические цвета.
Глаз и ухо человека воспринимают излучения по-разному
По гипотезе Юнга-Гельмгольца наши глаза обладают тремя независимыми светочувствительными рецепторами, реагирующими соответственно на красный, зеленый и синий цвета. Когда окрашенный свет попадает в глаз, эти рецепторы возбуждаются в соответствии с интенсивностью действующего на них цвета, содержащегося в наблюдаемом свете. Любая комбинация возбужденных рецепторов вызывает определенное цветовое ощущение. Области чувствительности трех этих рецепторов частично перекрываются. Поэтому одно и то же цветовое ощущение может быть вызвано различными комбинациями окрашенных световых излучений. Глаз человека постоянно суммирует раздражения, и конечным результатом восприятия оказывается суммарное действие. Необходимо также отметить, что человеку очень трудно, а иногда и невозможно определить, видит он источник света или объект, отражающий свет.
Если глаз можно считать совершенным сумматором, то ухо является совершенным анализатором и обладает фантастической способностью разлагать и анализировать колебания, образующие звук. Ухо музыканта без малейшего затруднения различает, на каком инструменте берется определенная нота, например на флейте или на фаготе. Каждый из этих инструментов имеет четко выраженный, свой тембр. Однако если звуки этих инструментов подвергнуть анализу с помощью соответствующего акустического устройства, то обнаружится, что комбинации обертонов, испускаемые этими инструментами, незначительно отличаются друг от друга. На основе только приборного анализа сложно безошибочно сказать, с каким инструментом мы имеем дело. На слух инструменты различаются безошибочно.
По своей чувствительности глаз и ухо значительно превосходят самые современные электронные устройства. При этом глаз сглаживает мозаичность структуры света, а ухо различает шорохи (вариации тона).
Если бы глаз был таким же анализатором, как и ухо, то, например, белая хризантема представлялась бы нам хаосом цветов, фантастической игрой всех цветов радуги. Объекты представали бы перед нами в различных оттенках (тембрах цвета). Зеленый бере т и зеленый лист, которые обычно кажутся нам одинакового зеленого цвета, были бы окрашенными в различные цвета. Дело в том, что глаз человека дает одно и то же ощущение зеленого цвета от различных комбинаций исходных окрашенных световых пучков. Гипотетический глаз, обладающий аналитической способностью, немедленно обнаружил бы эти различия. Но реальный глаз человека суммирует их, а одна и та же сумма может иметь множество различных слагаемых.
Известно, что белый свет состоит из целой гаммы цветов спектров излучения. Мы называем его белым потому, что глаз человека не в состоянии разложить его на отдельные цвета.
Поэтому в первом приближении можно считать, что объект, например красная роза, имеет такую окраску потому, что отражает только красный цвет. Какой-то другой предмет, например зеленый лист, видится зеленым потому, что выделяет из белого света зеленый цвет и отражает только его. Однако на практике ощущение цвета связано не только с избирательным (селективным) отражением (пропусканием) объектом падающего или излучаемого света. Воспринимаемый цвет сильно зависит от цветового окружения объекта, а также от сущности и состояния воспринимающего.
Цвет можно только видеть
Когда человек не имеет отношения к видению, вещи выглядят в основном одними и теми же в то время, когда он смотрит на мир. С другой стороны, когда он научится видеть, ничто не будет выглядеть тем же самым все то время, что он видит эту вещь, хотя она остается той же самой.
Карлос Кастанеда
Цвета, являющиеся результатом действия физических световых стимулов, обычно видятся по-разному при различном составе стимула. Однако цвет зависит также от целого ряда других условий, таких как уровень адаптации глаза, структура и степень сложности поля зрения, состояние и индивидуальные особенности смотрящего. Количество возможных комбинаций из отдельных стимулов мозаичности излучений света значительно больше количества различных цветов, которое приблизительно оценивается в 10 млн.
Из этого следует, что любой воспринятый цвет может быть генерирован большим числом стимулов с различным спектральным составом. Это явление называется метамеризм цвета. Так, ощущение желтого цвета может быть получено под действием либо монохроматического излучения с длиной волны около 576 нм, либо сложного стимула. Сложный стимул может состоять из смеси излучения с длиной волны более 500 нм (цветная фотография, полиграфия) или из сочетания излучения с длиной волны, соответствующей зеленому либо красному цветам, при этом желтая часть спектра полностью отсутствует (телевидение, монитор компьютера).
Как человек видит цвет, или Гипотеза C (B+G) + Y (G+R)
Человечеством создано много гипотез и теорий о том, как человек видит свет и цвет, некоторые из которых были рассмотрены выше.
В этой статье сделана попытка на базе изложенных выше технологий цветоделения и печати, применяемых в полиграфии, дать объяснение цветовому зрению человека. В основе гипотезы лежит положение о том, что глаз человека не является источником излучения, а работает как окрашенная поверхность, освещаемая светом, и спектр света разделен на три зоны синюю, зеленую и красную. Сделано допущение, что в глазу человека имеется множество приемников света одного типа, из которых состоит мозаичная поверхность глаза, воспринимающая свет. Принципиальная структура одного из приемников показана на рисунке.
Приемник состоит из двух частей, работающих как единое целое. Каждая из частей содержит пару рецепторов: синий и зеленый; зеленый и красный. Первая пара рецепторов (синий и зеленый) завернута в пленку голубого цвета, а вторая (зеленый и красный) в пленку желтого цвета. Эти пленки работают как светофильтры.
Рецепторы связаны между собой проводниками световой энергии. На первом уровне синий рецептор связан с красным, синий с зеленым, а зеленый с красным. На втором уровне эти три пары рецепторов связаны в одной точке («соединение звездой», как при трехфазном токе).
Схема работает по следующим принципам:
Голубой светофильтр пропускает синие и зеленые лучи света и поглощает красные;
Желтый светофильтр пропускает зеленые и красные лучи и поглощает синие;
Рецепторы реагируют только на одну из трех зон спектра света на синие, зеленые или красные лучи;
На зеленые лучи реагируют два рецептора, которые находятся за голубым и желтым светофильтрами, поэтому чувствительность глаза в зеленой зоне спектра выше, чем в синей и красной (это соответствует экспериментальным данным о чувствительности глаза;
В зависимости от интенсивности падающего света в каждой из трех связанных между собой пар рецепторов возникнет энергетический потенциал, который может быть положительным, отрицательным или нулевым. При положительном или отрицательном потенциале пара рецепторов передает информацию об оттенке цвета, в котором преобладает излучение одной из двух зон. Когда энергетический потенциал создан только за счет световой энергии одного из рецепторов, то должен воспроизводиться один из однозональных цветов синий, зеленый или красный. Нулевой потенциал соответствует равным долям излучений каждой из двух зон, что дает на выходе один из двухзональных цветов: желтый, пурпурный или голубой. Если все три пары рецепторов имеют нулевой потенциал, то должен воспроизводиться один из уровней серого (от белого до черного) в зависимости от уровня адаптации;
Когда энергетические потенциалы в трех парах рецепторов разные, то в точке серого должен воспроизводиться цвет с преобладанием одного из шести цветов синего, зеленого, красного, голубого, пурпурного или желтого. Но этот оттенок будет или разбеленным, или зачерненным, в зависимости от общего уровня световой энергии для всех трех рецепторов. Таким образом, воспроизведенный цвет будет всегда содержать ахроматическую составляющую (уровень серого). Этот уровень серого, усредненный для всех приемников глаза, и будет определять адаптацию (чувствительность) глаза к условиям восприятия;
Если в большинстве приемников глаза в течение долгого времени возникают небольшие энергетические потенциалы (соответствующие слабым оттенкам цвета или слабохроматическим цветам, близким к ахроматическим), то они будут выравниваться и дрейфовать к серому или к преобладающему памятному цвету. Исключением являются случаи, когда используется сравнительный эталон цвета или эти потенциалы соответствуют памятному цвету;
Нарушения в цвете фильтров, в чувствительности рецепторов или в проводимости цепей будут приводить к искажению восприятия световой энергии, а следовательно, к искажению воспринимаемого цвета;
Сильные энергетические потенциалы, возникающие при длительном воздействии световой энергии большой мощности, могут вызвать восприятие дополнительного цвета при переводе взгляда на серую поверхность. Дополнительные цвета: к желтому синий, к пурпурному зеленый, к голубому красный и наоборот. Эти эффекты возникают вследствие того, что должно произойти быстрое выравнивание энергетического потенциала в одной из трех точек схемы.
Таким образом, при помощи простой энергетической схемы, включающей три разных рецептора, один из которых дублируется, и два пленочных светофильтра, можно моделировать восприятие любого оттенка окрашенного спектра света, который видит человек.
В данной модели восприятия цвета человеком учитывается только энергетическая составляющая спектра света и не принимаются в расчет индивидуальные особенности человека, его возраст, профессия, эмоциональное состояние и многие другие факторы, которые влияют на восприятие света.
Цвет без света
Открыла мне моя душа и научила прикасаться к тому, что не облеклось плотью и не кристаллизовалось. И позволила она уразуметь, что чувственное есть половина мысленного и то, что мы держим в руках, часть вожделенного нами.
Дж. Х. Джебран
Цвет возникает в результате восприятия глазом светового электромагнитного излучения и преобразования информации об этом излучении человеческим мозгом. Хотя и считается, что электромагнитное световое излучение единственный возбудитель ощущения цвета, но цвет можно увидеть и без непосредственного воздействия света цветовые ощущения свободно могут возникать в мозге человека. Пример цветные сны или галлюцинации, вызванные воздействием на организм химических веществ. В абсолютно темном помещении мы видим перед глазами разноцветное мерцание, словно наше зрение вырабатывает в отсутствие внешних стимулов какие-то случайные сигналы.
Следовательно, как уже было замечено, цветовой стимул определен как адекватный стимул восприятия цвета или света, но он не единственно возможный.
Человек не может видеть в полной темноте. Для того, чтобы человек увидел предмет, необходимо, чтобы свет отразился от предмета и попал на сетчатку глаза. Источники света могут быть естественные (огонь, Солнце) и искусственные (различные лампы). Но что представляет собой свет?
Согласно современным научным представлениям, свет представляет собой электромагнитные волны определенного (достаточно высокого) диапазона частот. Эта теория берет свое начало от Гюйгенса и подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга). При этом в природе света в полной мере проявляется карпускулярно-волновой дуализм , что во многом определяет его свойства: при распространении свет ведет себя как волна, при излучении или поглощении – как частица (фотон). Таким образом, световые эффекты, происходящие при распространении света (интерференция , дифракция и т.п.), описываются уравнениями Максвелла , а эффекты, проявляющиеся при его поглощении и излучении (фотоэффект , эффект Комптона) – уравнениями квантовой теории поля .
Упрощенно, глаз человека представляет собой радиоприемник, способный принимать электромагнитные волны определенного (оптического) диапазона частот. Первичными источниками этих волн являются тела, их излучающие (солнце, лампы и т.п.), вторичными – тела, отражающие волны первичных источников. Свет от источников попадает в глаз и делает их видимыми человеку. Таким образом, если тело является прозрачным для волн видимого диапазона частот (воздух, вода, стекло и т.п.), то оно не может быть зарегистрировано глазом. При этом глаз, как и любой другой радиоприемник, «настроен» на определенный диапазон радиочастот (в случае глаза это диапазон от 400 до 790 терагерц), и не воспринимает волны, имеющие более высокие (ультрафиолетовые) или низкие (инфракрасные) частоты. Эта «настройка» проявляется во всем строении глаза – начиная от хрусталика и стекловидного тела, прозрачных именно в этом диапазоне частот, и заканчивая величиной фоторецепторов, которые в данной аналогии подобны антеннам радиоприемников и имеют размеры, обеспечивающие максимально эффективный прием радиоволн именно этого диапазона.
Все это в совокупности определяет диапазон частот, в котором видит человек. Он называется диапазоном видимого излучения.
Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими частотами также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.
Белый свет, разделённый призмой на цвета спектра
При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:
Чем человек видит
Благодаря зрению мы получаем 90% информации об окружающем мире, поэтому глаз - один из важнейших органов чувств.
Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача - "передать" правильное изображение зрительному нерву.
Строение глаза человека
Роговица - прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза - склерой.
Передняя камера глаза - это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью.
Радужка - по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой - значит, в ней мало пигментных клеток, если карий - много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток.
Зрачок - отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок.
Хрусталик - "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен - может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза. Прозрачность хрусталика глаза человека превосходна - пропускается большая часть света с длинами волн между 450 и 1400 нм. Свет с длиной волны выше720 нм не воспринимается. Хрусталик глаза человека почти бесцветен при рождении, но приобретает желтоватый цвет с возрастом. Это предохраняет сетчатку глаза от воздействия ультрафиолетовых лучей.
Стекловидное тело - гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза.
Сетчатка - состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т.е. фотохимическая реакция.
Склера - непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов.
Сосудистая оболочка - выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках.
Зрительный нерв - при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг.
Человек не рождается с уже развитым органом зрения: в первые месяцы жизни происходит формирование мозга и зрения, и примерно к 9 месяцам они способны почти моментально обрабатывать поступающую зрительную информацию. Для того чтобы видеть, необходим свет.
Световая чувствительность человеческого глаза
Способность глаза воспринимать свет и распознавать различной степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения - адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.
Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 10−9 эрг/с, что эквивалентно потоку нескольких квантов оптического диапазона в секунду через зрачок.
Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10−6 кд м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 106 кд м² для глаза, полностью адаптированного к свету Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки - колбочках и палочках.
В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.
Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L. Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек.
В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.
Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета.
За цветовое зрение человека отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия.
У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение.
Чувствительный к красному свету опсин кодируется у человека геном OPN1LW.
Другие опсины человека кодируют гены OPN1MW, OPN1MW2 и OPN1SW, первые два из них кодируют белки, чувствительные к свету со средними длинами волны, а третий отвечает за опсин, чувствительный к коротковолновой части спектра.
Поле зрения
Поле зрения - пространство, одновременно воспринимаемое глазом при неподвижном взоре и фиксированном положении головы. Оно имеет определенные границы, соответствующие переходу оптически деятельной части сетчатки в оптически слепую.
Поле зрения искусственно ограничивается выступающими частями лица - спинкой носа, верхним краем глазницы. Кроме того, его границы зависят от положения глазного яблока в глазнице. Кроме этого, в каждом глазу здорового человека существует область сетчатки, не чувствительная к свету, которая называется слепым пятном. Нервные волокна от рецепторов к слепому пятну идут поверх сетчатки и собираются в зрительный нерв, который проходит сквозь сетчатку на другую её сторону. Таким образом, в этом месте отсутствуют световые рецепторы.
На этом конфокальном микроснимке диск зрительного нерва показан черным, клетки, выстилающие кровеносные сосуды - красным, а содержимое сосудов - зеленым. Клетки сетчатки отобразились синими пятнами.
Слепые пятна в двух глазах находятся в разных местах (симметрично). Этот факт, а так же то, что мозг корректирует воспринимаемое изображение, объясняет почему при нормальном использовании обоих глаз они незаметны.
Чтобы наблюдать у себя слепое пятно, закройте правый глаз и левым глазом посмотрите на правый крестик, который обведён кружочком. Держите лицо и монитор вертикально. Не сводя взгляда с правого крестика, приближайте (или отдаляйте) лицо от монитора и одновременно следите за левым крестиком (не переводя на него взгляд). В определённый момент он исчезнет.
Этим способом можно также оценить приблизительный угловой размер слепого пятна.
Прием для обнаружения слепого пятна
Выделяют также парацентральные отделы поля зрения. В зависимости от участия в зрении одного или обоих глаз, различают монокулярное и бинокулярное поле зрения. В клинической практике обычно исследуют монокулярное поле зрения.
Бинокулярное и Стереоскопическое зрение
Зрительный анализатор человека в нормальных условиях обеспечивает бинокулярное зрение, то есть зрение двумя глазами с единым зрительным восприятием. Основным рефлекторным механизмом бинокулярного зрения является рефлекс слияния изображения - фузионный рефлекс (фузия), возникающий при одновременном раздражении функционально неодинаковых нервных элементов сетчатки обоих глаз. Вследствие этого возникает физиологическое двоение предметов, находящихся ближе или дальше фиксируемой точки (бинокулярная фокусировка). Физиологичное двоение (фокус) помогает оценивать удалённость предмета от глаз и создает ощущение рельефности, или стереоскопичности, зрения.
При зрении одним глазом восприятие глубины (рельефной удалённости) осуществляется гл. обр. благодаря вторичным вспомогательным признакам удаленности (видимая величина предмета, линейная и воздушная перспективы, загораживание одних предметов другими, аккомодация глаза и т. д..).
Проводящие пути зрительного анализатора
1 - Левая половина зрительного поля, 2 - Правая половина зрительного поля, 3 - Глаз, 4 - Сетчатка, 5 - Зрительные нервы, 6 - Глазодвигательный нерв, 7 - Хиазма, 8 - Зрительный тракт, 9 - Латеральное коленчатое тело, 10 - Верхние бугры четверохолмия, 11 - Неспецифический зрительный путь, 12 - Зрительная кора головного мозга.
Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.
Изменение зрения с возрастом
Элементы сетчатки начинают формироваться на 6–10 неделе внутриутробного развития, окончательное морфологическое созревание происходит к 10–12 годам. В процессе развития организма существенно меняются цветоощущения ребенка. У новорожденного в сетчатке функционируют только палочки, обеспечивающие черно-белое зрение. Количество колбочек невелико и они еще не зрелы. Распознавание цветов в раннем возрасте зависит от яркости, а не от спектральной характеристики цвета. По мере созревания колбочек дети сначала различают желтый, потом зеленый, а затем красный цвета (уже с 3 месяцев удавалось выработать условные рефлексы на эти цвета). Полноценно колбочки начинают функционировать к концу 3 года жизни. В школьном возрасте различительная цветовая чувствительность глаза повышается. Максимального развития ощущение цвета достигает к 30 годам и затем постепенно снижается.
У новорожденного диаметр глазного яблока составляет 16 мм, а его масса – 3,0 г. Рост глазного яблока продолжается после рождения. Интенсивнее всего оно растет первые 5 лет жизни, менее интенсивно – до 9-12 лет. У новорожденных форма глазного яблока более шаровидная, чем у взрослых, в результате в 90 % случаев у них отмечается дальнозоркая рефракция.
Зрачок у новорожденных узкий. Из-за преобладания тонуса симпатических нервов, иннервирующих мышцы радужной оболочки, в 6–8 лет зрачки становятся широкими, что увеличивает риск солнечных ожогов сетчатки. В 8–10 лет зрачок сужается. В 12–13 лет быстрота и интенсивность зрачковой реакции на свет становятся такими же, как у взрослого человека.
У новорожденных и детей дошкольного возраста хрусталик более выпуклый и более эластичный, чем у взрослого, его преломляющая способность выше. Это позволяет ребенку четко видеть предмет на меньшем расстоянии от глаза, чем взрослому. И если у младенца он прозрачный и бесцветный, то у взрослого человека хрусталик имеет легкий желтоватый оттенок, интенсивность которого с возрастом может усиливаться. Это не отражается на остроте зрения, но может повлиять на восприятие синего и фиолетового цветов.
Сенсорные и моторные функции зрения развиваются одновременно. В первые дни после рождения движения глаз несинхронны, при неподвижности одного глаза можно наблюдать движение другого. Способность фиксировать взглядом предмет формируется в возрасте от 5 дней до 3–5 месяцев.
Реакция на форму предмета отмечается уже у 5-месячного ребенка. У дошкольников первую реакцию вызывает форма предмета, затем его размеры и уже в последнюю очередь – цвет.
Острота зрения с возрастом повышается, улучшается и стереоскопическое зрение. Стереоскопическое зрение к 17–22 годам достигает своего оптимального уровня, причем с 6 лет у девочек острота стереоскопического зрения выше, чем у мальчиков. Поле зрения интенсивно увеличивается. К 7 годам его размер составляет приблизительно 80 % от размера поля зрения взрослого.
После 40 лет наблюдается падение уровня периферического зрения, то есть происходит сужение поля зрения и ухудшение бокового обзора.
Примерно после 50 лет сокращается выработка слезной жидкости, поэтому глаза увлажняются хуже, чем в более молодом возрасте. Чрезмерная сухость может выражаться в покраснении глаз, рези, слезотечении под действием ветра или яркого света. Это может не зависеть от обычных факторов (частые напряжения глаз или загрязненность воздуха).
С возрастом человеческий глаз начинает воспринимать окружающее более тускло, с понижением контрастности и яркости. Также может ухудшиться способность распознавать цветовые оттенки, особенно близкие в цветовой гамме. Это напрямую связано с сокращением количества клеток сетчатой оболочки, воспринимающих оттенки цвета, контрастность, яркость.
Некоторые возрастные нарушения зрения обусловлены пресбиопией, которая проявляется нечеткостью, размытостью картинки при попытке рассмотреть предметы, расположенные близко от глаз. Возможность фокусировки зрения на небольших предметах требует аккомодацию около 20 диоптрий (фокусировка на объекте в 50 мм от наблюдателя) у детей, до 10 диоптрий в возрасте 25 лет (100 мм) и уровни от 0,5 до 1 диоптрии в возрасте 60 лет (возможность фокусировки на предмете в 1-2 метрах). Считается, что это связано с ослаблением мышц, которые регулируют зрачок, при этом так же ухудшается реакция зрачков на попадающий в глаз световой поток. Поэтому возникают трудности с чтением при тусклом свете и увеличивается время адаптации при перепадах освещенности.
Так же с возрастом начинает быстрее возникать зрительное утомление и даже головные боли.
Восприятие цвета
Психология восприятия цвета - способность человека воспринимать, идентифицировать и называть цвета.
Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Первоначально исследования восприятия цвета проводились в рамках цветоведения; позже к проблеме подключились этнографы, социологи и психологи.
Зрительные рецепторы по праву считаются «частью мозга, вынесенной на поверхность тела». Неосознаваемая обработка и коррекция зрительного восприятия обеспечивает «правильность» зрения, и она же является причиной «ошибок» при оценке цвета в определенных условиях. Так, устранение «фоновой» засветки глаза (например, при разглядывании удаленных предметов через узкую трубку) существенно меняет восприятие цвета этих предметов.
Одновременное рассматривание одних и тех же несамосветящихся предметов или источников света несколькими наблюдателями с нормальным цветовым зрением, в одинаковых условиях рассматривания, позволяет установить однозначное соответствие между спектральным составом сравниваемых излучений и вызываемыми ими цветовыми ощущениями. На этом основаны цветовые измерения (колориметрия). Такое соответствие однозначно, но не взаимно-однозначно: одинаковые цветовые ощущения могут вызывать потоки излучений различного спектрального состава (метамерия).
Определений цвета, как физической величины, существует много. Но даже в лучших из них с колориметрической точки зрения часто опускается упоминание о том, что указанная (не взаимная) однозначность достигается лишь в стандартизованных условиях наблюдения, освещения и т. д., не учитывается изменение восприятия цвета при изменении интенсивности излучения того же спектрального состава (явление Бецольда - Брюкке), не принимается во внимание т. н. цветовая адаптация глаза и др. Поэтому многообразие цветовых ощущений, возникающих при реальных условиях освещения, вариациях угловых размеров сравниваемых по цвету элементов, их фиксации на разных участках сетчатки, разных психофизиологических состояниях наблюдателя и т. д., всегда богаче колориметрического цветового многообразия.
Например, в колориметрии одинаково определяются некоторые цвета (такие, как оранжевый или жёлтый), которые в повседневной жизни воспринимаются (в зависимости от светлоты) как бурый, «каштановый», коричневый, «шоколадный», «оливковый» и т. д. В одной из лучших попыток определения понятия Цвет, принадлежащей Эрвину Шрёдингеру, трудности снимаются простым отсутствием указаний на зависимость цветовых ощущений от многочисленных конкретных условий наблюдения. По Шредингеру, Цвет есть свойство спектрального состава излучений, общее всем излучениям, визуально не различимым для человека.
В силу природы глаза, свет, вызывающий ощущение одного и того же цвета (например белого), то есть одну и ту же степень возбуждения трёх зрительных рецепторов, может иметь разный спектральный состав. Человек в большинстве случаев не замечает данного эффекта, как бы «домысливая» цвет. Это происходит потому, что хотя цветовая температура разного освещения может совпадать, спектры отражённого одним и тем же пигментом естественного и искусственного света могут существенно отличаться и вызывать разное цветовое ощущение.
Человеческий глаз воспринимает множество различных оттенков, однако есть «запрещенные» цвета, недоступные для него. В качестве примера можно привести цвет, играющий и желтыми, и синими тонами одновременно. Так происходит потому, что восприятие цвета в глазе человека, как и многое другое в нашем организме, построено на принципе оппонентности. Сетчатка глаза имеет особые нейроны-оппоненты: некоторые из них активизируются, когда мы видим красный цвет, и они же подавляются зеленым цветом. То же самое происходит и с парой желтый-синий. Таким образом, цвета в парах красный-зеленый и синий-желтый оказывают противоположное воздействие на одни и те же нейроны. Когда источник излучает оба цвета из пары, их воздействие на нейрон компенсируется, и человек не может увидеть ни один из этих цветов. Мало того, человек не только не способен увидеть эти цвета в нормальных обстоятельствах, но и представить их.
Увидеть такие цвета можно только в рамках научного эксперимента. Например, ученые Хьюитт Крэйн и Томас Пьянтанида из Стенфордского института в Калифорнии создали специальные зрительные модели, в которых чередовались полосы «спорящих» оттенков, быстро сменяющих друг друга. Эти изображения, зафиксированные специальным прибором на уровне глаз человека, показывались десяткам добровольцев. После эксперимента люди утверждали, что в определенный момент границы между оттенками исчезали, сливаясь в один цвет, с которым раньше им никогда не приходилось сталкиваться.
Различия зрения человека и животных. Метамерия в фотографии
Человеческое зрение является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.
В животном мире существуют четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, поэтому цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными. В частности, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи.
Похожая ситуация складывается и с системами регистрации изображений, как цифровыми, так и аналоговыми. Хотя в большинстве своём они являются трёхстимульными (три слоя эмульсии фотоплёнки, три типа ячеек матрицы цифрового фотоаппарата или сканера), их метамерия отлична от метамерии человеческого зрения. Поэтому цвета, воспринимаемые глазом как одинаковые, на фотографии могут получаться разными, и наоборот.