Экспериментальное изучение константности светлоты и цвета

Инвариантные отношения и перцептивные уравнения характерны не только для таких признаков стимуляции, как размер, форма, глубина и удаленность. Общий принцип инвариантности восприятия распространяется и на другие аспекты восприятия, в том числе и на восприятие светлоты и цвета объекта. Из физики известно, что если изменяется освещение, то объект отражает иное количество света, следовательно, должна измениться и его субъективная светлота. Однако, как было показано выше, имеет место константность светлоты — относительное постоянство светлоты объекта при изменении условий его освещенности.

Классическое объяснение этого феномена дал Г. фон Гельмгольц, который полагал, что, оценивая яркость объекта, наблюдатель учитывает общий уровень освещенности. Эта гипотеза была подвергнута критике, и на смену ей пришло предположение, что восприятие светлоты зависит от взаимодействия световых интенсивностей соседних с объектом участков. Эта гипотеза была выдвинута и экспериментально проверена Хансом Уоллахом.

Уоллах предположил, что восприятие светлоты определяется не абсолютной освещенностью участка сетчатки, куда проецируется объект, а отношением этого участка к соседнему. Если меняется освещение, то как сам объект, так и соседние участки начинают отражать иное количество света, но соотношение их отражательной способности останется прежней (рис. 7.12). Например, белая поверхность отражает 80% от всего падающего света, окружающая ее серая поверхность — 40%. Эта отражательная способность поверхности называется альбедо (от лат. albus — белый)^[1]. Как бы ни были освещены обе поверхности, они будут отражать равное число света исходя из значения своего альбедо. При общей освещенности комнаты дневным светом и электрической лампочкой (100 единиц освещения) белая поверхность отразит 80% от 100 единиц, серая — 40% от 100 единиц. При общей освещенности комнаты дневным светом без лампочки (10 единиц освещения) — белая поверхность отразит 80% от 10 единиц, серая — 40% от 10 единиц. При этом соотношение альбедо белой и серой поверхностей при разном освещении останется равным 2: 1 (рис. 7.12).

Рис. 7.12. Соотношение альбедо белой и серой поверхностей: при изменении освещения соотношение отражательной способности остается.

неизменным — 2:1¹

В одном из своих экспериментов Уоллах использовал две пары диапроекторов, один из которых проецировал на белый экран световой диск, другой — световое кольцо, плотно окружающее этот диск (рис. 7.13). Эксперимент проводился в полностью затененной комнате. Испытуемый мог изменять интенсивность проецируемого света. Интенсивность кольца и диска одной пары (рис. 7.13, а) оставалась постоянной на протяжении всего эксперимента, кольцо второй пары (рис. 7.13, б) также имело постоянную интенсивность, отличную от интенсивности кольца первой пары, и задача испытуемого состояла в том, чтобы установить интенсивность второго диска феноменально равной интенсивности первого. В результате оказалось, что для достижения феноменально одинаковой яркости круга б, его абсолютная (т.е. реальная) яркость не имеет значения. Большую роль играет соотношение яркости кольца и круга. Если это соотношение такое же, как и в паре а, то тогда центральные круги каждой пары феноменально равны по яркости.

Эксперимент Уоллаха показал, что константность светлоты определяется инвариантностью отношения яркости объектов в поле зрения и не зависит как от яркости самого объекта, так и от общего уровня освещенности. Однако для объяснения механизма яркости этого недостаточно. Доказательством этому послужили эксперименты Эдвина Герберта Лэнда, американского ученого, основателя известной фирмы Polaroid. Лэнд сосредоточил свои исследования на изучении восприятия цвета вообще и константности цвета в частности, однако считается, что константность светлоты является частным случаем константности цвета, которая подчиняется тому же закону — восприятие цвета зависит от отражательной способности как самой цветной поверхности, так и соседних поверхностей. Лэнд создал теорию, которую он назвал теорией Ретинекс (Retinex); это слово образовано от двух латинских^[2]

слов — retina (сетчатка) и cortex (кора). Данное название указывает на роль связи сетчатки и кортекса в возникновении ощущения цвета.

Рис. 7.13. Эксперимент Г. Уоллаха¹:

яркость центрального круга пары а равна 60 у.е.л. ед., яркость кольца — 120 у.е.л. ед., соотношение их яркостей — 2:1; центральный круг пары 6 воспринимается феноменально равным по яркости, как и круг пары я, если соотношение яркости кругкольцо пары 6 такое же, как и в паре а, — 60: 30 = 2: 1.

Для изложения теории Retinex необходимо вспомнить некоторые положения из физики и области восприятия цвета. Ощущение цвета зависит от освещения, которое представляет собой излучение волн с определенной длиной волны. Любое излучение в природе содержит в себе множество волн. Когда это излучение достигает объекта, часть его поглощается, часть отражается в зависимости от химического состава поверхности этого объекта. Таким образом, каждая поверхность характеризуется своей отражательной способностью, количество которой выражено в коэффициенте отражения. Поверхность может поглощать широкий диапазон волн, а может и узкий, в любом случае ощущение цвета поверхности зависит от того, какие волны отразились и попали на сетчатку глаза наблюдателя. Например, та поверхность, которую мы назовем красной, поглощает большую часть зелено-синего спектра и отражает преимущественно ту часть,^[3]

которую мы распознаем как красный цвет. «Серая» поверхность поглощает большую часть спектра. Таким образом, отражательная способность поверхности во многом определяет ее цвет.

Эдвин Лэнд предположил, что ощущение цвета и светлоты зависит не только от способности поверхности отражать свет с определенной длиной волны, но и от всего пространственного поля, попадающего в область восприятия. Если подсчитать количество падающего и отраженного света в мире вокруг нас, то можно увидеть, что нет жестко закрепленной зависимости между потоком световых волн и ощущением цвета. Лэнд утверждает, что кроме длины волны отраженного света есть еще иные характеристики, определяющие наше восприятие. Для доказательства своей позиции Лэнд с коллегами провели серию экспериментов, вошедших в анналы классических исследований в области константности восприятия. Лэнд предъявлял испытуемым коллажи, составленные из участков разного цвета, формы и размера, напоминающие картины датского художника Пита Мондриана или лоскутное одеяло^[4] (на рис. 7.14 — черно-белый вариант). В настоящее время экспериментальные коллажи, используемые Лэндом в его экспериментах, так и называют — мондрианы Лэнда.

В одном из экспериментов использовались черно-белые мондрианы, эти эксперименты были направлены на изучение восприятия светлоты ^{[5]. На мондриане вверху и внизу располагались два набора кругов, один сверху на другом так, что создавалось впечатление, что один круг окружен кольцом другого цвета (рис. 7.14). Эти наборы имели постоянное отношение их коэффициентов отражения, по различные значения этих коэффициентов. Другими словами, видимая яркость центральных — малых — кругов вверху и внизу различны, но отношения их яркости к яркости внешнего кольца одинаково как для верхней пары, так и для нижней. Однако для того, чтобы исключить различия в абсолютных значениях коэффициента отражения центральных кругов, освещение мондриана было негомогенно, а градуально, т. е. нижняя часть освещалась сильнее, и постепенно освещение уменьшалось кверху. Таким образом, из-за различного освещения верхней и нижней частей мондриана получилось, что маленький круг вверху имеет ту же самую светимость, что и круг внизу: верхний круг имеет высокий коэффициент отражения, но освещен хуже, чем нижний, который имеет более низкий коэффициент отражения, в результате чего оба круга «посылают» глазу одинаковое количество света. В итоге оба круга должны восприниматься как равные по яркости, с учетом еще и того факта, что их яркость находится в постоянном отношении с яркостью внешнего кольца. Однако они не выглядят одинаковыми: малый круг внизу выглядит темнее, чем верхний. В этом случае константность не сохраняется, несмотря ни на одинаковое количество отраженного света, ни на одинаковое отношение яркостей внутреннего круга и внешнего кольца.}

Рис. 7.14. Мондриан в экспериментах Э. Лэнда (черно-белый вариант) В другом эксперименте Лэнд использовал цветные мондрианы. Эти коллажи освещались проекторами с тремя разными цветовыми фильтрами, пропускающими свет в узком диапазоне — фильтры, пропускающие длинноволновый свет (что видится как красный), средневолновый свет (что видится как зеленый) и коротковолновый свет (что видится как синий)^[6]. Интенсивность света каждого из проекторов можно было менять по ходу эксперимента. Когда включены все три проектора одновременно, согласно трехкомпонентной теории Юнга — Гельмгольца происходит сложение трех основных цветов, и в итоге разноцветная поверхность мондриана освещается белым цветом и белые участки этой поверхности так и видятся белыми. Когда поверхность освещалась одним из проекторов, то с помощью фотометра измерялся спектральный состав потока излучения, отраженного от поверхности и направленного в глаза наблюдателя.

В одной из серий эксперимента на белый прямоугольник мондриана направлялись лучи от трех проекторов с красным, зеленым и синим фильтрами и измерялся спектральный состав излучения, отраженного от этого прямоугольника; были получены такие пропорции трех основных цветов: 6 единиц красного, 35 единиц зеленого и 60 единиц синего. Затем эти проекторы были направлены на другой участок мондриана темно-коричневого цвета, их интенсивность настраивалась таким образом, чтобы поток отраженного излучения имел тот же самый состав, что и от предыдущего — белого — прямоугольника. При этом цвет этого нового участка оставался неизменным — темно-коричневым, несмотря на то, что спектральный состав излучения, попадавшего на сетчатку глаза, был таким же, что и для белого прямоугольника (рис. 7.15). Аналогичные действия были предприняты и для участков мондрианов других цветов — желтого, голубого, серого, зеле;

ного и т. д. Во всех этих случаях воспринимаемый цвет участков не менялся и наблюдатель сообщал, что видит желтый, голубой, серый, зеленый и другой прямоугольник. Если интенсивность проектора менялась и, как следствие, менялся спектральный состав отраженного излучения, ощущение цвета при этом практически не менялось. Также, если какой-то цветной участок перемещали в другую часть мондриана, где его окружали другие элементы, его цвет тоже не менялся значительно. Константное восприятие цвета окраски, однако, сразу же нарушалось, и зеленая окраска начинала казаться красной, если наблюдатель смотрел на этот участок через отверстие в черном экране, закрывавшем окружающие его поверхности. Из этого эксперимента напрашивается парадоксальный вывод, что ощущение цвета и светлоты не так сильно зависит от спектрального состава излучения и что в осуществлении константности цвета участвуют неизвестные пока механизмы.

Рис. 7.15. Схема эксперимента Лэнда с цветным мондрианом:

освещение мондриана настраивалось таким образом, что, освещая разные по цвету поверхности, можно было получить одинаковый состав отраженного излучения Лэнд предположил, что ощущение цвета определяется взаимодействием четырех ретинально-кортикальных механизмов^[7], обеспечивающих и константность цвета в том числе. Общий принцип работы этих механизмов представляется так: каждой отдельной (коротко-, среднеи длинноволновой) системой рецепторов сетчатки регистрируется состав излучения, где каждая система независимо формирует свой отдельный образ цветного мира, и эти образы не смешиваются, но сравниваются друг с другом. В этом процессе сравнения участвует не только сетчатка, но и более высокие — кортикальные — структуры, поэтому для обозначения этой системы взаимодействия Лэнд изобретает новое слово — ретинене, образованное, как уже отмечалось, от двух слов retina и cortex.

Центральный вопрос теории ретинекса — как происходит это сравнение и как на его основе выносится суждение о цвете поверхности? Лэнд полагал, что первоначально определяются светлотные характеристики поверхности за счет анализа отраженного излучения, потому что каждая поверхность в зависимости от ее отражательных характеристик в данном участке спектра будет иметь различную светлоту. Например, если поверхность зеленого цвета осветить средневолновым (зеленым) светом, то она будет казаться светлее, чем красная или синяя поверхности. Лэнд отмечает, что важна не абсолютная, а относительная отражательная способность каждого отдельного участка, поэтому и сформированные три независимые карты светлоты являются относительными, где светлота некоторого участка определяется в них не просто количеством отраженного им света, а отношением этого света к среднему количеству света, отраженному окружающими этот участок поверхностями. Ретинексы постоянно взаимодействуют друг с другом, сравнивая поступающую информацию об излучении. И если спектральный состав освещения меняется, то меняется и состав отраженного излучения всего поля восприятия (в случае эксперимента Лэнда — всего мондриана), следовательно, также согласованно меняются и показатели светлотных карт, поэтому ощущение цвета от каждого отдельного участка коллажа не меняется, т. е. остается константным. Именно сравнение всех трех светлотных карт всего пространственного ноля приводит, во-первых, к распознаванию цвета поверхности, а во-вторых, к осуществлению константности восприятия цвета в случае изменения освещения.

Теория Лэнда является вычислительной теорией константности и в настоящее время активно применяется в системах разработки машинного зрения. Нейрофизиологический базис теории ретинекса был разработан Семиром Зеки, который предпринял попытки описать физиологические механизмы извлечения информации о цвете по показателям светлоты^[8].

• [1] Альбедо чистого снега составляет ~0Д древесного угля -0,04, т. е. снег отражает практически весь падающий свет, а уголь — практически все поглощает и ничего не отражает.
• [2] Цит. по: Рок И.

  Введение

  в зрительное восприятие: в 2 кн.

• [3] Рок И.

  Введение

  в зрительное восприятие: в 2 кн.

• [4] 2 Land Е. Н. The Retinex Theory of Color Vision // Scientific American. 1977. Vol. 237 (6).P. 108−128.
• [5] McCannJ.J. Lessons Learned from Mondrians Applied to Real Images and Color Gamuts //Proc. IS&T/siD Seventh Color Imaging Conference. 1999. P. 1—8.
• [6] Land Е. Н., McCann J. /. Lightness and Retinex Theory // Journal of the Optical Society ofAmerica. 1971. Vol. 61. Iss. 1. P. 1−11.
• [7] Четыре механизма объясняются наличием па сетчатке системы палочек и трех системколбочек.
• [8] Bands АZeki S.M. The architecture of the colour centre in the human visual brain: newresults and a review // Eur. J. Neurosci. 2000. Vol. 12 (1). P. 172—193.