Fysiikka

Näkemisen lahjan tekee rikkaammaksi värien olemassaolo. Esineissä ja valoissa on runsaasti tuhansia värisävyjä, jotka stimuloivat silmiämme, aivojamme ja tunteitamme. Tässä lyhyessä käsittelyssä käsitellään kahta peruskysymystä – mitä väri tarkoittaa tieteellisesti ja miten me ihmiset havaitsemme sen?

Värinäön yksinkertainen teoria

Olemme jo todenneet, että väri liittyy näkyvän sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuteen. Kun silmämme vastaanottavat puhtaan aallonpituuden valoa, näemme yleensä vain muutamia värejä. Näistä kuusi (useimmiten luetellut) ovat punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen ja violetti. Nämä ovat sateenkaaren värit, jotka syntyvät, kun valkoinen valo hajotetaan eri aallonpituuksien mukaan. On olemassa tuhansia muita värisävyjä, joita voimme havaita. Näihin kuuluvat ruskea, tiilenpunainen, kultainen, vaaleanpunainen ja valkoinen. Erään yksinkertaisen värinäköteorian mukaan kaikki nämä värisävyt ovat silmiemme reaktio erilaisiin aallonpituusyhdistelmiin. Tämä pitää jossain määrin paikkansa, mutta huomaamme, että värin havaitseminen on vielä hienovaraisempaa kuin silmämme reaktio valon eri aallonpituuksiin.

Verkkokudoksessa on kaksi päätyyppiä valoa aistivia soluja (fotoreseptoreita), sauvat ja käpyjä

Käpyjä on eniten foveassa, verkkokalvon keskiosassa. Täällä ei ole sauvoja. Fovea on keskellä makulaa, halkaisijaltaan 5 mm:n kokoista aluetta, joka vastaa keskeisestä näkemisestämme. Kävyt toimivat parhaiten kirkkaassa valossa, ja ne ovat vastuussa korkean resoluution näkökyvystä. Ihmisen verkkokalvolla on noin 6 miljoonaa kartiota. Käpyjä on kolmea eri tyyppiä, ja kukin tyyppi on herkkä eri aallonpituusalueille, kuten kuvassa 1 on esitetty.

Yksinkertaistettu teoria värinäöstä on, että on olemassa kolme perusväriä, jotka vastaavat kolmea käpytyyppiä. Tuhannet muut värisävyt, joita voimme erottaa toisistaan, syntyvät näiden kolmen käpylätyypin ärsykkeiden erilaisista yhdistelmistä. Väritelevisiossa käytetään kolmen värin järjestelmää, jossa kuvaruutu on peitetty yhtä suurella määrällä punaisia, vihreitä ja sinisiä fosforipisteitä. Katsojalle näkyvä laaja värisävyjen kirjo syntyy näiden kolmen värin erilaisista yhdistelmistä. Näet esimerkiksi keltaisen värin, kun punaista ja vihreää valaistaan oikeassa intensiteettisuhteessa. Valkoinen voidaan aistia, kun kaikki kolme väriä valaistaan. Näyttäisi siis siltä, että kaikki värisävyt voidaan tuottaa lisäämällä kolme perusväriä eri suhteissa. On kuitenkin viitteitä siitä, että värinäkö on kehittyneempi. Kolmen perusvärin joukkoa ei ole olemassa. Toinen toimiva joukko on keltainen, vihreä ja sininen. Toinen osoitus monimutkaisemman värinäköteorian tarpeesta on se, että erilaiset yhdistelmät voivat tuottaa saman värisävyn. Keltainen voidaan aistia keltaisella valolla tai punaisen ja vihreän yhdistelmällä ja myös valkoisella valolla, josta on poistettu violetti. Kolmen päävärin näkökulma värinäköön on vakiintunut; kehittyneemmät teoriat pikemminkin laajentavat sitä kuin kieltävät sen.

Pohdi, miksi erilaiset esineet näyttävät väriä – eli miksi höyhenet ovat sinisiä ja punaiset purppuranpunaisessa ruusukkeessa? Esineen todellinen väri määräytyy sen absorptio- tai heijastusominaisuuksien perusteella. Kuvassa 2 näkyy valkoisen valon osuminen kolmeen eri esineeseen, joista yksi on puhdas sininen, yksi puhdas punainen ja yksi musta, sekä valkoiseen esineeseen osuva puhdas punainen valo. Muut värisävyt syntyvät monimutkaisemmista absorptio-ominaisuuksista. Vaaleanpunainen väri, esimerkiksi galah-kakadulla, voi johtua kaikkien muiden värien paitsi punaisen värin heikosta absorptiosta. Esine voi näyttää eriväriseltä muussa kuin valkoisessa valaistuksessa. Esimerkiksi puhtaasti sininen esine, jota valaistaan puhtaalla punaisella valolla, näyttää mustalta, koska se absorboi kaiken siihen osuvan punaisen valon. Esineen todellinen väri on kuitenkin sininen, mikä on riippumaton valaistuksesta.

Valonlähteillä on vastaavasti värejä, jotka määräytyvät niiden tuottamien aallonpituuksien mukaan. Helium-neonilaser lähettää puhdasta punaista valoa. Itse asiassa ilmaisu ”puhdasta punaista valoa” määritellään sillä, että sillä on terävä rajattu spektri, joka on ominaista laservalolle. Aurinko tuottaa laajan kellertävän spektrin, loisteputkivalot lähettävät sinertävän valkoista valoa ja hehkulamput lähettävät punertavan valkoisia sävyjä, kuten kuvassa 3 näkyy. Kuten olettaa saattaa, aistit nämä värit, kun katsot valonlähdettä suoraan tai kun valaiset sillä valkoista esinettä. Kaikki tämä sopii hyvin yksinkertaistettuun teoriaan, jonka mukaan aallonpituuksien yhdistelmä tuottaa erilaisia värisävyjä.

Värin pysyvyys ja muunnettu värinäön teoria

Silmän ja aivojen väriaistijärjestelmä pystyy vertailemalla eri kohteita, jotka ovat sen näköpiirissä, hahmottamaan kohteen todellisen värin vaihtelevissa valaistusolosuhteissa – kykyä, jota kutsutaan värin pysyvyydeksi. Voimme esimerkiksi aistia, että valkoinen pöytäliina on valkoinen riippumatta siitä, valaiseeko sitä auringonvalo, loisteputkivalo vai kynttilänvalo. Silmään saapuvat aallonpituudet ovat kussakin tapauksessa varsin erilaiset, kuten kuvan 3 kuvaajat osoittavat, mutta värinäkömme pystyy havaitsemaan todellisen värin vertaamalla pöytäliinaa ympäristöönsä.

Värikonstanssin huomioon ottavat teoriat perustuvat laajaan anatomiseen näyttöön sekä havaintotutkimuksiin. Verkkokalvon valoreseptorien välillä on hermoyhteyksiä, ja hermoyhteyksiä aivoihin on paljon vähemmän kuin sauvoja ja käpyjä. Tämä tarkoittaa, että silmässä tapahtuu signaalinkäsittelyä ennen kuin tieto lähetetään aivoihin. Silmä esimerkiksi tekee vertailuja vierekkäisten valoreseptorien välillä ja on hyvin herkkä reunoille, kuten kuvassa 4 näkyy. Sen sijaan, että silmä reagoi pelkästään silmään tulevaan valoon, joka on tasaista tämän kuvan eri suorakulmioissa, silmä reagoi reunoihin ja aistii valheellisia pimeyden vaihteluita.

Yhtä teoriaa, jossa otetaan huomioon useita tekijöitä, esitti Edwin Land (1909-1991), Polaroid Corporationin luova perustaja. Land ehdotti osittain moniin tyylikkäisiin kokeisiinsa perustuen, että kolmenlaiset käpyjen tyypit ovat järjestäytyneet järjestelmiksi, joita kutsutaan retinexeiksi. Kukin retinex muodostaa kuvan, jota verrataan muihin, ja silmä-aivo-järjestelmä voi näin ollen verrata kynttilän valaisemaa valkoista pöytäliinaa sen yleensä punertavaan ympäristöön ja todeta, että se on todella valkoinen. Tämä värinäön retinex-teoria on esimerkki muunnetuista värinäön teorioista, joilla pyritään ottamaan huomioon värinäön hienoudet. Eräs Landin tekemä hämmästyttävä koe osoittaa, että jonkinlainen kuvavertailu voi tuottaa värinäön. Kohtauksesta otetaan kaksi kuvaa mustavalkofilmille, joista toisessa käytetään punaista suodatinta ja toisessa sinistä suodatinta. Tuloksena saadut mustavalkoiset diat projisoidaan ja asetetaan sitten päällekkäin näytölle, jolloin saadaan odotetusti mustavalkoinen kuva. Sitten punaisella suodattimella otetun dian eteen asetetaan punainen suodatin, ja kuvat asetetaan jälleen päällekkäin valkokankaalle. Odotettavissa olisi kuva vaaleanpunaisen eri sävyissä, mutta sen sijaan kuva näyttää ihmiselle täysväriseltä kaikkine alkuperäisen kohtauksen sävyineen. Tämä viittaa siihen, että värinäkö voidaan saada aikaan vertailemalla mustavalkoista ja punaista kuvaa. Värinäköä ei täysin ymmärretä tai selitetä, eikä retinex-teoriaa ole täysin hyväksytty. On ilmeistä, että värinäkö on paljon hienovaraisempi kuin mitä ensisilmäyksellä voisi olettaa.

Yhteenveto jaksosta

• Silmässä on neljää erilaista valoreseptorityyppiä – sauvoja ja kolme erilaista väreille herkkää kartiota.
• Sauvat ovat hyviä yönäköön, ääreisnäköön ja liikemuutoksiin, kun taas käpyjen vastuulla on keskeinen näkö ja värinäkö.
• Havaitsemme monia värisävyjä valosta, jossa on aallonpituuksien sekoituksia.
• Yksinkertaistetun värinäön teorian mukaan on olemassa kolme perusväriä, jotka vastaavat kolmea käpylätyyppiä, ja että perusvärien erilaiset yhdistelmät tuottavat kaikki värisävyt.
• Kohteen todellinen väri liittyy sen suhteelliseen absorptioon eri valon aallonpituuksilla. Valonlähteen väri liittyy sen tuottamiin aallonpituuksiin.
• Värin pysyvyys on silmä-aivo-järjestelmän kyky erottaa eri valonlähteillä valaistun esineen todellinen väri.
• Värinäön retinex-teoria selittää värikonstanssin postuloimalla, että on olemassa kolme retinexiä eli kuvajärjestelmää, jotka liittyvät kolmeen erilaiseen käpyyn ja joita verrataan toisiinsa hienostuneen informaation saamiseksi.

Sanasto

värit: värin identiteetti, kun se liittyy nimenomaan spektriin

sauvat ja käpyjä: kaksi valoreseptorityyppiä ihmisen verkkokalvolla; sauvat vastaavat näkemisestä matalassa valossa, kun taas kartiot ovat aktiivisia korkeammassa valossa

yksinkertaistettu värinäköteoria: teoria, jonka mukaan on olemassa kolme perusväriä, jotka vastaavat kolmea erilaista kartiotyyppiä

värin pysyvyys: osa visuaalista havaintojärjestelmää, jonka avulla ihminen pystyy havaitsemaan värejä erilaisissa olosuhteissa ja näkemään väreissä jonkinlaista yhdenmukaisuutta

retinex: teoria, jota on ehdotettu selittämään värien ja kirkkauden havaitsemista ja yhdenmukaisuuksia; on yhdistelmä sanoista verkkokalvo ja aivokuori, jotka ovat kaksi visuaalisen informaation prosessoinnista vastaavaa aluetta

retinexin värinäköteoria: kyky havaita värejä ympäristössä, jossa on ympäröivän värinen ympäristö