Г Л А В А 1

ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

к примеру: у обезьян были обнаружены клетки, отвечающие только на изобра жение обезьяньих лап или мордочек. Существование таких клеток ставит во прос: до какой степени сложен ответ от одной клетки? Очевидно, что для каж дого вида восприятия не существует персональной клетки, поэтому в какой то момент в зрительной системе восприятие строится на комбинациях различных сигналов, обеспечивающих различные виды восприятия. Такое построение дает возможность инвариантности восприятия, в частности — цветового. Оче видно, что на цветовое восприятие влияет большое число вариаций стимула и что наша зрительная система часто «экспериментирует» с ними.

1.5 ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ СВОЙСТВА ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ

Исследование зрительного опыта не может быть изолированным. Цветовое восприятие стимула зависит от пространственных и временных характеристик этого стимула: к примеру, черно белый стимул, мерцающий с определенной частотой, может восприниматься весьма красочным.

Пространственные и временные характеристики человеческой зрительной системы обычно исследуют через измерение т.н. контрастно сенситивных функций. Контрастно сенситивные функции (CSF) в науке о зрении аналогич ны модуляционно трансферным функциям (MTF) в науке об изображениях, однако CSF нельзя приравнивать к MTF, поскольку, во первых, человеческая зрительная система крайне нелинейна, и во вторых, CSF представляют порого вую чувствительность, а не надпороговую модуляцию.

Контрастно сенситивная функция определяется порогом ответа на кон траст (чувствительность обратна порогу) как функция пространственной или временной частоты. О контрасте обычно говорят как об отношении разности между максимальной и минимальной яркостями стимула к их сумме. CSF как правило измеряются с использованием стимулов, интенсивность которых си нусоидально меняется в пространстве и времени, поэтому однородный образец имеет нулевой контраст, а неравномерные образцы, в которых яркость некото рых участков падает до ноля, имеют контраст равный 1.0 независимо от того, какова их общая яркость.

Рис. 1.18 схематично иллюстрирует типичные контрастно сенситивные функции яркостного (черно белый стимул) и хроматического (красно зеленый и желто синий стимулы при постоянной яркости) контрастов. Яркостная конт растно сенситивная функция имеет полосно пропускающий характер с пиком чувствительности в районе 5 полос на градус и приближается к нолю при отсут ствии полос, иллюстрируя тем самым тенденцию зрительной системы к нечув ствительности в отношении однородных полей. Функция также стремится к нолю начиная с частоты примерно в 60 полос на градус — с этого момента де тали уже не могут быть распознаны оптикой глаза или мозаикой фоторецепто ров. Полосно пропускающая контрастно сенситивная функция коррелирует с концепцией центра окружения антагонистичных рецептивных полей, кото

54

Г Л А В А 1

ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

рые максимально чувствительны к промежуточным значениям пространствен ной частоты.

Хроматические механизмы имеют низкую частоту пропускания и значи тельно меньшие граничные частоты, что затрудняет использование хроматиче ской информации о тонких деталях (высоких пространственных частотах). По следнее на руку системам кодирования изображений и схемам их сжатия (к примеру, NTSC или JPEG).

Низкочастотные характеристики хроматических механизмов указывают и на то, что краевая детекция/усиление не проходят по данной частотной кате гории восприятия: сине желтая хроматическая CSF имеет меньшую гранич ную частоту, нежели красно зеленая CSF вследствие нехватки в сетчатке S колбочек. Отметим также, что яркостная CSF ощутимо выше, нежели обе хроматические, что указывает на большую чувствительность зрительной сис темы к малейшим изменениям в яркостном контрасте, нежели в контрасте хро матическом. Пространственные яркостная и хроматическая CSF не участвуют непосредственно в цветовом восприятии, хотя и оказывают на него существен ное влияние. Жанг и Ванделл в 1996 г. опубликовали интересную методику внедрения этих типов ответов в вычисление цветового пространства CIELAB, а Джонсон и Фершильд (2003) предложили новейшую версию данной модели.

Рис. 1.19 иллюстрирует пространственные свойства цветового зрения и про странственный анализ типичного изображения. На рис. 1.19 (а) показан ориги нал. Яркостная информация представлена отдельно на рис. 1.19 (b). Остаточ ная хроматическая информация представлена отдельно на рис. 1.19 (с). Оче видно, что гораздо больше пространственных деталей может быть визуально получено из яркостного изображения нежели из остаточного хроматического: на рис. 1.19 (d) показано изображение, восстановленное с использованием яр

Рис. 1.18 Пространственные контрастно сенситивные функции яркостного и хроматического контрастов.

55

Г Л А В А 1

ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Рис. 1.19 Иллюстрация пространственных свойств цветового зрения: (а) оригинальное изобра жение; (b) только яркостная информация; (c) только хроматическая информация; (d) реконст рукция изображения за счет объединения яркостной информации полного разрешения с хро матической информацией, подвергнутой субсэмплингу с коэффициентом 4.

Оригинал взят с Kodak Photo Sampler PhotoCD.

костного изображения полного разрешения, объединенного с хроматическим изображением, подвергнутым субссэмплингу с коэффициентом 4. Такой спо соб сжатия изображения не вызывает потерь в восприятии деталей или цвето вом восприятии.

Рис. 1.20 схематично иллюстрирует типичные временные контрастно сенситивные функции (для яркостного и хроматического контрастов), которые имеют много общего с пространственными CSF, показанными на рис. 1.18. И вновь яркостные временные CSF выше по чувствительности и граничной час тоте, чем хроматические временные CSF, что демонстрируют их полосно про пускные характеристики. Временные CSF (так же как и пространственные) не посредственно не включены в модели цветового восприятия, но их важно учи тывать, когда идет просмотр движущихся изображений (таких, как цифровые видеоклипы), которые могут воспроизводиться с различной экранной часто той. Важно понимать, что функции, показанные на рис. 1.18 и 1.20, типичны, но не универсальны.

Как уже было сказано, разные виды исследования человеческого зрительно го восприятия не могут проводиться изолированно, поскольку пространствен ные и временные CSF взаимодействуют друг с другом. Пространственная CSF, измеренная при различных временных частотах, окажется чрезвычайно из менчивой, и то же справедливо в отношении временной CSF, измеренной при различных пространственных частотах. Эти функции также зависят от иных ва риативных факторов, таких, как уровень яркости, размер стимула, ретиналь ный локус. Подробности по данным взаимодействиям см. у Келли (1994).

56

Г Л А В А 1						ЦВЕТОВОЕ ЗРЕНИЕ ЧЕЛОВЕКА

Рис. 1.20 Временные контрастно сенситивные функции яркостного и хроматического контра стов.

Эффект наклона

Интересным феноменом пространственного зрения является т.н. эффект наклона, который состоит в том, что при восприятии решеток, ориентирован ных под углом 0° и 90° (относительно линии, соединяющей глаза), острота зре ния выше, чем при восприятии решеток, ориентированных под углом 45°. Дан ный феномен наблюдают при создании наклонных полутоновых растров, кото рые устанавливают так, чтобы наиболее заметные элементы были наклонены под углом 45°. Этот эффект можно проследить, если взять черно белое полуто новое газетное изображение и менять дистанцию просмотра до тех пор, пока растровые точки не станут едва заметными. Если изображение зафиксировать на этом расстоянии, а затем повернуть на 45°, растровые точки станут четко различимыми (поскольку окажутся сориентированными под углом 0° или 90°).

CSF и движения глаза

Пространственные и временные CSF тесно связаны с движением глаз: стати ческий пространственный образец становится динамическим, когда взгляд на блюдателя начинает скользить по стимулу. Отметим, что и пространственная, и временная яркостные CSF стремятся к нулю, когда к нулю стремится соответ ствующая частота, и из этого следует, что полностью статичный стимул неви дим. В самом деле, если зафиксировать изображение на сетчатке с помощью специальной видеосистемы, закрепленной на глазном яблоке, то восприятие стимула исчезает через несколько секунд (Келли, 1994). Иногда это явление можно наблюдать, тщательно зафиксировав взгляд на каком либо предмете, — через несколько секунд периферийные объекты начинают исчезать (централь ный объект при этом не исчезает, поскольку колебания даже сознательно удер живаемого глаза все же больше, чем пространственная частота центральной

57