Fyzika

Dar vidění je bohatší o existenci barev. Předměty a světla oplývají tisíci odstíny, které stimulují naše oči, mozek a emoce. V tomto stručném pojednání se zabýváme dvěma základními otázkami – co barva znamená z vědeckého hlediska a jak ji jako lidé vnímáme?“

Jednoduchá teorie barevného vidění

Již jsme uvedli, že barva souvisí s vlnovou délkou viditelného elektromagnetického záření. Když naše oči přijímají světlo o čisté vlnové délce, máme tendenci vidět jen několik barev. Šest z nich (nejčastěji uváděných) je červená, oranžová, žlutá, zelená, modrá a fialová. Jedná se o barvy duhy, které vznikají při rozptýlení bílého světla podle různých vlnových délek. Existují tisíce dalších odstínů, které můžeme vnímat. Patří mezi ně hnědá, tyrkysová, zlatá, růžová a bílá. Jedna z jednoduchých teorií barevného vidění předpokládá, že všechny tyto odstíny jsou reakcí našeho oka na různé kombinace vlnových délek. To je do jisté míry pravda, ale zjistili jsme, že vnímání barev je ještě jemnější než reakce našeho oka na různé vlnové délky světla.

Dva hlavní typy světločivných buněk (fotoreceptorů) v sítnici jsou tyčinky a čípky

Čípky jsou nejvíce koncentrovány ve fovee, centrální oblasti sítnice. Tyčinky se zde nevyskytují. Fovea se nachází ve středu makuly, oblasti o průměru 5 mm, která je zodpovědná za naše centrální vidění. Čípky pracují nejlépe při jasném světle a jsou zodpovědné za vidění s vysokým rozlišením. V lidské sítnici je asi 6 milionů čípků. Existují tři typy čípků a každý typ je citlivý na jiný rozsah vlnových délek, jak je znázorněno na obrázku 1.

Zjednodušená teorie barevného vidění říká, že existují tři základní barvy odpovídající třem typům čípků. Tisíce dalších odstínů, mezi kterými můžeme rozlišovat, vznikají různými kombinacemi podnětů těchto tří typů čípků. Barevná televize používá tříbarevný systém, kdy je obrazovka pokryta stejným počtem červených, zelených a modrých luminoforových bodů. Široká škála odstínů, které divák vidí, vzniká různými kombinacemi těchto tří barev. Například žlutou barvu vnímáte, pokud jsou červená a zelená barva osvětleny ve správném poměru intenzit. Bílou barvu lze vnímat, pokud jsou osvětleny všechny tři barvy. Pak by se mohlo zdát, že všechny odstíny lze vytvořit přidáním tří základních barev v různých poměrech. Existuje však náznak, že barevné vidění je složitější. Neexistuje žádná jedinečná sada tří základních barev. Další funkční sadou je žlutá, zelená a modrá. Dalším náznakem potřeby složitější teorie barevného vidění je to, že různé různé kombinace mohou vytvořit stejný odstín. Žlutou lze vnímat žlutým světlem nebo kombinací červené a zelené a také bílým světlem, z něhož byla odstraněna fialová. Aspekt barevného vidění založený na třech základních barvách je dobře známý; složitější teorie jej spíše rozšiřují, než aby jej popíraly.

Přemýšlejte o tom, proč se různé předměty zobrazují barevně – tedy proč je peří modré a červené v karmínové růžici? Skutečná barva předmětu je definována jeho absorpčními nebo reflexními vlastnostmi. Obrázek 2 ukazuje bílé světlo dopadající na tři různé objekty, jeden čistě modrý, jeden čistě červený a jeden černý, a také čistě červené světlo dopadající na bílý objekt. Ostatní odstíny jsou tvořeny složitějšími absorpčními charakteristikami. Růžová barva, například na kakadu gala, může být způsobena slabou absorpcí všech barev kromě červené. Při jiném než bílém osvětlení se objekt může jevit jinak barevný. Například čistě modrý objekt osvětlený čistě červeným světlem se bude jevit jako černý, protože pohlcuje veškeré červené světlo, které na něj dopadá. Skutečná barva objektu je však modrá, což nezávisí na osvětlení.

Obrázek 2: Bílý obdélník. Absorpční charakteristiky určují skutečnou barvu objektu. Zde jsou tři objekty osvětleny bílým světlem a jeden čistě červeným světlem. Bílá barva je stejná směs všech viditelných vlnových délek, černá barva je nepřítomnost světla.

Podobně i světelné zdroje mají barvy, které jsou definovány vlnovými délkami, které produkují. Hélium-neonový laser vyzařuje čistě červené světlo. Ve skutečnosti je výraz „čisté červené světlo“ definován tím, že má ostře ohraničené spektrum, které je charakteristické pro laserové světlo. Slunce produkuje široké nažloutlé spektrum, zářivky vyzařují modrobílé světlo a žárovky vyzařují červenobílé odstíny, jak je vidět na obrázku 3. Jak se dalo očekávat, tyto barvy vnímáte při přímém pohledu na zdroj světla nebo když jimi osvětlujete bílý předmět. To vše přesně zapadá do zjednodušené teorie, že kombinace vlnových délek vytváří různé odstíny.

Obrázek 3. Jsou znázorněna emisní spektra pro různé zdroje světla. Křivka A je průměrné sluneční světlo na zemském povrchu, křivka B je světlo ze zářivky a křivka C je výkon žárovky. Špička pro helium-neonový laser (křivka D) je způsobena jeho emisí v čisté vlnové délce. Hroty ve výstupu zářivky jsou způsobeny atomovými spektry – tématem, kterému se budeme věnovat později.

Stálost barev a modifikovaná teorie barevného vidění

Systém vnímání barev oka a mozku dokáže na základě porovnávání různých objektů v jeho zorném poli vnímat skutečnou barvu objektu za různých světelných podmínek – tato schopnost se nazývá stálost barev. Dokážeme například vnímat, že bílý ubrus je bílý, ať už je osvětlen slunečním světlem, zářivkou nebo svíčkou. Vlnové délky vstupující do oka jsou v každém případě zcela odlišné, jak naznačují grafy na obrázku 3, ale náš barevný zrak dokáže rozpoznat skutečnou barvu porovnáním ubrusu s jeho okolím.

Obrázek 4. Na obrázku 4 je znázorněn schodovitý graf s hroty na začátku dalšího kroku. Je znázorněna důležitost hran. Přestože jsou šedé pásy rovnoměrně stínované, jak naznačuje graf hned pod nimi, vůbec se nezdají být rovnoměrné. Místo toho jsou vnímány tmavší na tmavé straně a světlejší na světlé straně hrany, jak ukazuje spodní graf. To je způsobeno zpracováním nervových impulsů v oku.

Teorie, které berou v úvahu stálost barev, jsou založeny na velkém množství anatomických důkazů a také na studiích vnímání. Mezi světelnými receptory na sítnici jsou nervová spojení a nervových spojení s mozkem je mnohem méně než tyčinek a čípků. To znamená, že před odesláním informace do mozku dochází ke zpracování signálu v oku. Oko například porovnává sousední světelné receptory a je velmi citlivé na hrany, jak je vidět na obrázku 4. Místo toho, aby oko reagovalo pouze na světlo vstupující do oka, které je v různých obdélnících na tomto obrázku rovnoměrné, reaguje na okraje a vnímá falešné změny tmy.

Jednu teorii, která bere v úvahu různé faktory, předložil Edwin Land (1909-1991), kreativní zakladatel společnosti Polaroid Corporation. Land navrhl, částečně na základě mnoha svých elegantních experimentů, že tři typy čípků jsou uspořádány do systémů zvaných retinexy. Každý retinex vytváří obraz, který se porovnává s ostatními, a systém oko-mozek tak může porovnat svíčkou osvětlený bílý ubrus s jeho obecně načervenalým okolím a určit, že je skutečně bílý. Tato retinexová teorie barevného vidění je příkladem modifikovaných teorií barevného vidění, které se snaží vysvětlit jeho jemnosti. Jeden pozoruhodný experiment, který provedl Land, ukazuje, že určitý typ porovnávání obrazů může vyvolat barevné vidění. Na černobílém filmu jsou pořízeny dva snímky scény, na jednom je použit červený filtr, na druhém modrý. Výsledné černobílé diapozitivy se pak promítnou a překryjí na plátno, čímž podle očekávání vznikne černobílý obraz. Poté se před diapozitiv pořízený červeným filtrem umístí červený filtr a snímky se opět superponují na plátno. Očekávali byste obraz v různých odstínech růžové, ale místo toho se zdá, že obraz je pro lidi plně barevný se všemi odstíny původní scény. Z toho vyplývá, že barevné vidění lze vyvolat porovnáním černobílého a červeného obrazu. Barevné vidění není zcela pochopeno ani vysvětleno a teorie retinexu není zcela přijímána. Je zřejmé, že barevné vidění je mnohem jemnější, než by se na první pohled mohlo zdát.

PhET Explorations: Barevné vidění

Vytvořte celou duhu smícháním červeného, zeleného a modrého světla. Změňte vlnovou délku monochromatického paprsku nebo filtrujte bílé světlo. Zobrazte světlo jako celistvý paprsek nebo si prohlédněte jednotlivé fotony.

Klikněte pro spuštění simulace.

Shrnutí oddílu

• Oko má čtyři typy světelných receptorů – tyčinky a tři typy čípků citlivých na barvy.
• Tyčinky jsou vhodné pro noční vidění, periferní vidění a změny pohybu, zatímco čípky jsou zodpovědné za centrální vidění a barvy.
• Vnímáme mnoho odstínů, a to ze světla, které má směs vlnových délek.
• Zjednodušená teorie barevného vidění říká, že existují tři základní barvy, které odpovídají třem typům čípků, a že různé kombinace základních barev vytvářejí všechny odstíny.
• Skutečná barva objektu souvisí s jeho relativní absorpcí různých vlnových délek světla. Barva světelného zdroje souvisí s vlnovými délkami, které produkuje.
• Barevná stálost je schopnost systému oko-mozek rozeznat skutečnou barvu předmětu osvětleného různými zdroji světla.
• Teorie retinexu barevného vidění vysvětluje stálost barev postulátem existence tří retinexů neboli obrazových systémů, spojených se třemi typy čípků, které jsou porovnávány za účelem získání sofistikované informace.

Glosář

hues: identita barvy, jak se konkrétně vztahuje ke spektru

tyčinek a čípků: tyčinky: dva typy fotoreceptorů v lidské sítnici; tyčinky jsou zodpovědné za vidění při nízké hladině osvětlení, zatímco čípky jsou aktivní při vyšší hladině osvětlení

zjednodušená teorie barevného vidění: teorie, která tvrdí, že existují tři základní barvy, které odpovídají třem typům čípků

stálost barev: část systému zrakového vnímání, která umožňuje lidem vnímat barvy za různých podmínek a vidět určitou stálost barev

retinex: teorie navržená k vysvětlení vnímání a stálosti barev a jasu; je spojením slov sítnice a mozková kůra, což jsou dvě oblasti odpovědné za zpracování zrakových informací

retinexová teorie barevného vidění: schopnost vnímat barvy v barevném prostředí

.