Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

10.3. Postrzeganie barw

Teorie postrzegania barw

 W 1802 roku T.Young zaproponował istnienie trzech niezależnych receptorów, każdy odpowiedzialny za inną składową barwną. H.Helmholtz rozwinął i sformalizował tę teorię w 1850 roku. Teoria trójpobudzeniowa postrzegania barw Younga – Helmholtza zakłada, że wrażenia barwne są odbierane w oku przez trzy rodzaje niezależnych receptorów, każdy związany z inną długością fali. Wrażenie barwne jest wynikiem mieszania barw składowych. Teoria ta została częściowo potwierdzona w latach sześćdziesiątych XX wieku. Warto zwrócić uwagę na fakt, że koncepcja T.Younga powstała wcześniej niż odkryto czopki i pręciki w siatkówce oka (M.Schultz: w 1866 roku.)

W 1892 roku E.Hering: zaproponował zupełnie inną teorię postrzegania barw: teorię przeciwstawieństw. Teoria postrzegania barw Heringa zakłada, że do mózgu trafia informacja nie o pojedynczych składowych, ale o różnicach barw (biały-czarny, czerwony-zielony, niebieski-żółty). Zaproponowane pary tworzone są przez barwy, które bardzo rzadko występują jednocześnie. Trudno wskazać obiekt, który jest jednocześnie i biały i czarny. Natomiast może on być szary czyli jego barwa będzie określona właśnie przez relacje (proporcje) między bielą a czernią.

Dzisiejsza fizjologia pokazuje współdziałanie obu, pozornie wykluczających się teorii. Zwoje nerwowe siatkówki łączą czopki wrażliwe na różne barwy. Do mózgu trafia zarówno informacja o poszczególnych składowych (z pojedynczych czoków określonej barwy), jak i różnicach (proporcjach) między nimi.

Percepcja barw

Można wyróżnić trzy procesy niezbędne do tego aby dostrzec barwy:

Postrzeganie barwy silnie zależy od czynników towarzyszących bezpośrednio powstawaniu strumienia świetlnego padającego do oka. Dobrym przykładem jest wpływ tła (otoczenia) na jakim znajduje się postrzegana barwa. Zjawisko to nazywane jest najczęściej problemem sąsiedztwa barw (rys.10.5). Pomimo identyczności pobudzenia receptorów siatkówki przez barwę danej plamy, jej otoczenie / sąsiedztwo wpływa na wytworzenie określonych wrażeń.

Rys.10.5. Problemy sąsiedztwa barw. a) Prostokąt niebieski  wydaje się
ciemniejszy lub jaśniejszy w zależności od tła na jakim się znajduje.
b) Prostokąt szary „uzyskuje” barwę w zależności od tła na jakim się znajduje.

Podobnie na odbiór wpływa oświetlenie i wielkość rysunku. Zmiana składowych światła oświetlającego plamę barwną wpływa na zestaw składowych odbitych od tej plamy. Receptory są pobudzone składowymi zależnymi od odbicia. Przy zmianach wielkości rysunku może dochodzić do niezamierzonego mieszania barw sąsiednich pól, czego wynikiem będzie wytworzenie zupełnie nowego wrażenia.

Warto dodać do tego problemy wynikające z naszych przyzwyczajeń i doświadczeń. Czytając gazetę na plaży o zachodzie słońca nie zdajemy sobie sprawy z faktu, że powinniśmy widzieć czarne litery na czerwonym tle. Wynika to bowiem z barwy zachodzącego słońca i odbicia światła o takiej barwie od białej kartki. Widzimy jednak czarne litery na białej kartce bo tak nam podpowiada doświadczenie i zdobyta wiedza. Jak zaskakująco silny jest wpływ wiedzy i doświadczeń; na ile nasz mózg może wpłynąć na odbiór barw można przekonać się oglądając eksperymenty przeprowadzone w Lottolab Studio (http://www.lottolab.org/index.asp).

Percepcja barw jest procesem subiektywnym. Oznacza to, że każdy postrzega barwy w inny sposób. Możliwe są również minimalne różnice między lewym a prawym okiem. Do tego trzeba dodać różnice interpretacyjne zależne od doświadczeń i kultury. Znane są różnice łączenia barw z emocjami uwarunkowane kulturowo (np. postrzegania bieli i czerni) oraz przypisywania barwom określonych znaczeń.

 

Prawa Grassmana

Zasada trójchromatyczności  (1. Prawo Grassmana)
Każdą dowolną barwę można przedstawić za pomocą trzech składowych – barw podstawowych (takich, że żadna z nich nie jest wypadkową dwóch pozostałych – są niezależne kolorymetrycznie).

Zasada ciągłości   (2. Prawo Grassmana)
Jeśli mamy do czynienia z mieszaniną dwóch barw, to ciągła zmiana jednej składowej powoduje ciągłą zmianę mieszaniny.

Zasada addytywności   (3. Prawo Grassmana)
Barwa mieszaniny nie zależy od jej składu widmowego tylko od barw składników.

 

Prawo Webera Fechnera

Prawo odkryte w 1849 roku przez E.Webera, wyrażone matematycznie przez G.Fechnera w 1860 roku.

Jeśli rozpatrzymy wrażenie wywołane przez dany bodziec, to aby wywołać zauważalny przyrost wrażenia , przyrost bodźca musi być proporcjonalny  do aktualnego poziomu bodźca. Oznacza to, że poziom wrażenia wzrasta  wprost proporcjonalnie do logarytmu z poziomu bodźca. Prawo to zostało potwierdzone dla wrażeń słuchowych i wzrokowych.

Rys.10.6. Prawo Webera-Fechnera. a) Poziom barwy czarnej wzrasta
liniowo – wrażenie logarytmiczne (wrażenie zbyt szybko narastającej czerni).
b) Poziom barwy czarnej wzrasta wykładniczo – wrażenie liniowe.

 

 Prawo Bezolda - Bruckego

Zachodzi pytanie czy atrybuty barwy (odcień barwy, nasycenia i jasność) są niezależne.

Badania wykazały, że zachodzi percepcyjny związek między atrybutami barwy. Zmiana jednego z nich pociąga za sobą zmiany pozostałych..

Zmniejszenie luminancji wiąże się wrażeniem zmniejszenia składowych żółtej i błękitnej.
Zmniejszenie nasycenia wiąże się z wrażeniem  zwiększenia składowych żółtej i błękitnej.

Warto pamiętać o tym nawet podczas najprostszej obróbki obrazów (np. zdjęć cyfrowych). Zmiana jasności albo kontrastu może spowodować nienaturalny wygląd (postrzegalną zmianę barw) przedmiotów na zdjęciu.

 
 Zjawisko hamowania obocznego

Receptory siatkówki wpływają wzajemnie na proces percepcji barwy. Jest to widoczne na granicy pól o różnej luminancji. Receptory odbierające barwę jaśniejszą są pobudzane przez sąsiednie receptory odbierające barwę ciemniejszą. W odwrotnej sytuacji receptory odbierające barwę ciemniejszą są blokowane. Działanie takie powoduje wrażenie zwiększenia kontrastu na granicy luminancji - rys. 10.7.

Rys.10.7. Zjawisko hamowania obocznego. Zmiana luminancji: rzeczywista i postrzegana.

Mechanizm ten jest bardzo użyteczny dla człowieka. Potrafimy dzięki temu dostrzec szczegóły przy słabym oświetleniu (np. czytać o zmierzchu). Ale zły dobór barw np. przy realizacji ciągłej zmiany między dwiema określonymi barwami zostanie natychmiast wychwycony przez oko. Powstają wtedy tzw. pasma Macha.

 

Metameryzm

 

Rys.10.8. Zjawisko metameryzmu.
Okrągłe pola mają tak samo postrzegane barwy.  Co więcej ich składowe RGB są identyczne.
Ale powstały one z całkowicie różnych składowych widmowych.

Metameryzm — zjawisko polegające na tym, że ta sama barwa może być inaczej postrzegana w różnych warunkach.

Percepcja barwy nie zależy od jej składowych widmowych. Oko nie jest miernikiem składowych widmowych barwy.

 Z metameryzmem możemy mieć do czynienia w różnych sytuacjach. Z jednej strony może być tak, że np. gazeta została wydrukowana dwoma rodzajami czarnej barwy i w warunkach drukarni różnice nie były w ogóle widoczne. Zauważyli je dopiero czytelnicy w innych warunkach oświetleniowych.

Z drugiej strony istnieją zestawy barw, które wyglądają identycznie pomimo otrzymywania ich z różnych składowych. Przykładem może być barwa czerwona którą otrzymywano z drogich składników, ze względów finansowych zastąpiono innymi – tańszymi. Mimo różnego rozkładu widmowego wrażenie jest identyczne.

Metameryzm stanowi bardzo poważny problem w poligrafii.