Fizyka

Dar widzenia staje się bogatszy dzięki istnieniu kolorów. Przedmioty i światła obfitują w tysiące odcieni, które stymulują nasze oczy, mózgi i emocje. W tym krótkim opracowaniu zajmiemy się dwoma podstawowymi pytaniami – co kolor oznacza w kategoriach naukowych i jak my, jako ludzie, go postrzegamy?

Prosta teoria widzenia barw

Zauważyliśmy już, że kolor jest związany z długością fali widzialnego promieniowania elektromagnetycznego. Kiedy nasze oczy otrzymują światło o czystej długości fali, mamy tendencję do widzenia tylko kilku kolorów. Sześć z nich (najczęściej wymienianych) to czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. Są to kolory tęczy, które powstają, gdy białe światło jest rozpraszane według różnych długości fal. Istnieją tysiące innych odcieni, które możemy postrzegać. Należą do nich brąz, teal, złoty, różowy i biały. Jedna z prostych teorii widzenia barw zakłada, że wszystkie te odcienie są reakcją naszego oka na różne kombinacje długości fal. Jest to prawda do pewnego stopnia, ale okazuje się, że postrzeganie kolorów jest jeszcze subtelniejsze niż reakcja naszego oka na różne długości fal światła.

Dwa główne typy komórek wyczuwających światło (fotoreceptorów) w siatkówce to pręciki i czopki

Czopki są najbardziej skoncentrowane w fovea, centralnym regionie siatkówki. Nie ma tu pręcików. Fovea znajduje się w centrum plamki żółtej, regionu o średnicy 5 mm odpowiedzialnego za nasze widzenie centralne. Czopki działają najlepiej w jasnym świetle i są odpowiedzialne za widzenie o wysokiej rozdzielczości. W ludzkiej siatkówce znajduje się około 6 milionów czopków. Istnieją trzy typy czopków, a każdy typ jest wrażliwy na różne zakresy długości fal, jak pokazano na rysunku 1.

Uproszczona teoria widzenia barwnego mówi, że istnieją trzy kolory podstawowe odpowiadające trzem typom czopków. Tysiące innych odcieni, które możemy rozróżnić, są tworzone przez różne kombinacje stymulacji trzech typów czopków. Telewizja kolorowa wykorzystuje system trójkolorowy, w którym ekran jest pokryty taką samą liczbą czerwonych, zielonych i niebieskich punktów fosforu. Szeroki zakres odcieni, które widzi widz, jest wytwarzany przez różne kombinacje tych trzech kolorów. Na przykład, żółty będzie postrzegany, gdy czerwony i zielony są oświetlone w odpowiednim stosunku intensywności. Biały może być odczuwany, gdy wszystkie trzy są oświetlone. Wydawałoby się więc, że wszystkie odcienie mogą być wytwarzane przez dodanie trzech podstawowych kolorów w różnych proporcjach. Istnieje jednak wskazówka, że widzenie kolorów jest bardziej skomplikowane. Nie ma unikalnego zestawu trzech kolorów podstawowych. Inny zestaw, który działa, to żółty, zielony i niebieski. Kolejną wskazówką potrzeby bardziej złożonej teorii widzenia barw jest to, że różne kombinacje mogą dawać ten sam odcień. Żółty może być odczuwany przy pomocy żółtego światła, lub kombinacji czerwonego i zielonego, a także przy pomocy białego światła, z którego usunięto fiolet. Aspekt trzech podstawowych kolorów widzenia kolorów jest dobrze ugruntowany; bardziej wyrafinowane teorie rozszerzają go, a nie zaprzeczają mu.

Zastanów się, dlaczego różne obiekty wyświetlają kolor – to znaczy, dlaczego pióra są niebieskie, a czerwone w karmazynowej roselli? Prawdziwy kolor obiektu jest definiowany przez jego właściwości absorpcyjne lub refleksyjne. Rysunek 2 przedstawia białe światło padające na trzy różne obiekty, jeden czysto niebieski, jeden czysto czerwony i jeden czarny, jak również czyste czerwone światło padające na biały obiekt. Inne barwy powstają w wyniku bardziej złożonej charakterystyki absorpcji. Różowy kolor, na przykład na kakadu galah, może być spowodowany słabą absorpcją wszystkich kolorów z wyjątkiem czerwonego. Obiekt może mieć inny kolor przy oświetleniu innym niż białe. Na przykład, czysto niebieski obiekt oświetlony czystym czerwonym światłem będzie wydawał się czarny, ponieważ pochłania całe czerwone światło padające na niego. Ale, prawdziwy kolor obiektu jest niebieski, który jest niezależny od oświetlenia.

Podobnie, źródła światła mają kolory, które są określone przez długości fal, które wytwarzają. Laser helowo-neonowy emituje czyste czerwone światło. W rzeczywistości, wyrażenie „czyste czerwone światło” jest zdefiniowane przez posiadanie ostrego ograniczonego widma, co jest cechą charakterystyczną światła laserowego. Słońce wytwarza szerokie żółtawe widmo, lampy fluorescencyjne emitują niebiesko-białe światło, a lampy żarowe emitują czerwono-białe odcienie, jak widać na rysunku 3. Jak można się spodziewać, kolory te są wyczuwalne podczas bezpośredniego oglądania źródła światła lub podczas oświetlania nimi białych przedmiotów. Wszystko to pasuje do uproszczonej teorii, że kombinacja długości fali wytwarza różne barwy.

Stałość koloru i zmodyfikowana teoria widzenia kolorowego

Okno-mózg system wyczuwania koloru może, porównując różne obiekty w jego widok, postrzegać prawdziwy kolor obiektu w różnych warunkach oświetleniowych – zdolność, która jest nazywana stałość koloru. Możemy wyczuć, że biały obrus, na przykład, jest biały niezależnie od tego, czy jest oświetlony światłem słonecznym, światłem fluorescencyjnym, czy światłem świec. Długość fali docierającej do oka jest w każdym przypadku zupełnie inna, jak wynika z wykresów na rysunku 3, ale nasz kolorowy wzrok może wykryć prawdziwy kolor, porównując obrus z jego otoczeniem.

Teorie, które biorą pod uwagę stałość koloru są oparte na dużej ilości dowodów anatomicznych, jak również badań percepcyjnych. Istnieją połączenia nerwowe wśród receptorów światła na siatkówce, i nie ma znacznie mniej połączeń nerwowych do mózgu niż tam są pręciki i czopki. Oznacza to, że w oku następuje przetwarzanie sygnału, zanim informacja zostanie wysłana do mózgu. Na przykład, oko porównuje sąsiadujące ze sobą receptory światła i jest bardzo wrażliwe na krawędzie, jak widać na rysunku 4. Zamiast reagować po prostu na światło wpadające do oka, które jest jednolite w różnych prostokątach na tym rysunku, oko reaguje na krawędzie i wyczuwa fałszywe zmiany ciemności.

Jedna teoria, która bierze pod uwagę różne czynniki została wysunięta przez Edwina Landa (1909-1991), kreatywnego założyciela Polaroid Corporation. Land zaproponował, częściowo w oparciu o jego wiele eleganckich eksperymentów, że trzy rodzaje czopków są zorganizowane w systemy zwane retinexami. Każdy retinex tworzy obraz, który jest porównywany z innymi. W ten sposób system oko-mózg może porównać oświetlony świecą biały obrus z jego ogólnie czerwonawym otoczeniem i stwierdzić, że jest on w rzeczywistości biały. Ta retinexowa teoria widzenia barw jest przykładem zmodyfikowanych teorii widzenia barw, które starają się uwzględnić jego subtelności. Jeden uderzający eksperyment przeprowadzony przez Landa pokazuje, że pewien rodzaj porównania obrazów może wytworzyć widzenie barwne. Dwa zdjęcia sceny zostały wykonane na czarno-białym filmie, jedno przy użyciu czerwonego filtra, a drugie niebieskiego. Powstałe w ten sposób czarno-białe slajdy są następnie rzutowane i nakładane na ekran, dając czarno-biały obraz, zgodnie z oczekiwaniami. Następnie przed slajdem wykonanym z filtrem czerwonym umieszcza się filtr czerwony, a obrazy ponownie nakłada się na ekran. Spodziewałbyś się obrazu w różnych odcieniach różu, ale zamiast tego, obraz wydaje się ludziom w pełnym kolorze, ze wszystkimi odcieniami oryginalnej sceny. Oznacza to, że widzenie barwne może być wywołane przez porównanie obrazów czarno-białych i czerwonych. Widzenie barwne nie jest całkowicie zrozumiałe ani wyjaśnione, a teoria retinexu nie jest całkowicie akceptowana. Jest oczywiste, że widzenie kolorów jest znacznie subtelniejsze niż to, co może sugerować pierwsze spojrzenie.