Восприятие цвета

Свет различается только длиной волны. Зрительная система человека совершает с длиной волны нечто удивительное: она превращает ее в цвет, причем из разных длин волн получаются различные цвета. Например, свет с короткой длиной волны (450-500 нанометров) выглядит синим; свет со средней длиной волны (примерно 500-570 нанометров) выглядит зеленым; а свет с большой длиной волны (620-700 нанометров) выглядит красным (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Солнечный спектр.Числами обозначены длины волн (в нанометрах, нм), соответствующие различным цветам.

Призма расщепляет свет на различные длины волн. Короткие волны кажутся синими, средние — зелеными, а длинные — красными.

В дальнейшем обсуждении цветового восприятия мы будем говорить только о длинах волн. Это совершенно адекватно в случаях, когда первоисточником ощущения цвета является объект, излучающий свет, например солнце или лампочка. Однако чаще источником цветовых ощущений является объект, отражающий свет, когда его освещает источник света. В таких случаях восприятие цвета объекта частично определяется длинами волн, которые объект отражает, частично — другими факторами. Один из таких факторов — окружающий цветовой фон. Богатое разнообразие других цветов в пространственном окружении объекта позволяет наблюдателю правильно воспринимать цвет объекта, даже когда длины волн, исходящих от объекта и достигающих глаза, не вполне точно отражают характерный цвет объекта (Land, 1986). Способность воспринимать цвет любимой джинсовой куртки как индиго, несмотря на значительные вариации окружающего освещения, носит название «константность цвета». Мы будем более подробно обсуждать эту тему в гл. 5.

Ощущение цвета.В некоторых отношениях ощущение цвета — явление субъективное. Но для научного изучения цветоощущения нам следует описывать его общепринятыми терминами. Представим себе пятно света на темном фоне. С феноменологической точки зрения его характеризуют 3 параметра: светлота, цветовой тон и насыщенность. Светлота показывает, насколько белым видится свет (ее следует отличать от яркости: очень слабо освещенный объект может тем не менее казаться белым). Два других параметра относятся непосредственно к самому цвету. Цветовым тоном называется качество, обозначаемое названием цвета, например «красный» или «зеленовато-желтый». Насыщенность означает наполненность цветом или чистоту цвета. Ненасыщенные цвета выглядят бледными (например, розовый); насыщенные цвета на вид не содержат белого. Художник Альберт Манселл предложил схему описания окрашенных поверхностей путем присваивания им одного из 10 названий цветового тона и двух чисел: одного — для указания насыщенности, другого — светлоты. Цветовая система Манселла представлена в виде цветового тела (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Цветовое тело.Три параметра цвета можно отобразить на двойном конусе. Цветовой тон представлен точками, расположенными по окружности, насыщенность — точками вдоль радиуса, а светлота — точками на вертикальной оси. Вертикальное сечение цветового тела показывает различную насыщенность и светлоту для одного тона.

Наиболее важные характеристики цвета и звука сведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3. Физика и физиология света и звука

Имея способы описания цвета, можно поставить вопрос: сколько цветов человек может различить? В диапазоне 400-700 нанометров, к которому мы чувствительны, можно различить 150 тонов или, иначе говоря, 150 длин волн. Это означает, что в среднем мы можем различать длины волн, отличающиеся всего на 2 нанометра; то есть для длины волны ЕЗР составляет 2 нанометра. С учетом того, что у каждого из 150 различимых тонов может быть много различных величин светлоты и насыщенности, общее число цветов, которые человек может различить, оценивается более чем в 7 миллионов! Кроме того, по оценкам Национального бюро стандартов, примерно для 7500 из этих цветов у нас есть наименования; трудно даже представить себе какую-либо другую сферу человеческого опыта, столь же широко закодированную в языке. Эти цифры дают определенное представление о роли цвета в жизни человека (Coren, Ward & Enns, 1999).

Смешение цветов.Примечательно, что все различаемые нами оттенки можно получить путем смешения всего нескольких основных цветов. Предположим, мы проецируем на один и тот же участок сетчатки свет различных цветов. В результате этого цветового смешения получится новый цвет. Например, смесь света с длиной волны 650 нм (красный) и света с длиной волны 500 нм (зеленый) в надлежащей пропорции будет выглядеть желтой; по виду эта смесь будет в точности соответствовать желтому свету с длиной волны 580 нм. Точное соответствие желтому свету в 580 нм можно также получить при смешении света других, а не только этих цветов. Таким образом, световые смеси, физические компоненты которых весьма различны, могут выглядеть одинаково.

Самое время оговориться: здесь и во всем этом разделе мы имеем в виду смешение света по принципу сложения (аддитивности); мы не говорим о смешивании красок или пигментов, которое происходит по принципу вычитания (субтрактивности) (рис. 4.17). Для красок и для света правила смешения цветов различны. Этого следовало ожидать. При смешивании красок меняется сам физический стимул (смешивание происходит вне глаза), так что это — предмет изучения для физиков. Смешение света, наоборот, происходит в самом глазу, и значит, это тема психологическая.

Рис. 4.17. Смешение цветов путем сложения и вычитания.При смешении цветов путем сложения (на рис. слева) происходит слияние световых потоков. При смешении красного и зеленого цвета получается желтый, зеленого и пурпурного — голубой и т. д. В центре, где перекрываются все три цвета, смесь выглядит белой. Смешение цветов путем вычитания (справа) происходит при смешивании красителей или при прохождении света сквозь цветовые фильтры, наложенные один на другой. При смешении сине-зеленого и желтого получится зеленый, а при смешении дополнительных цветов, например синего и желтого, получится черный.

В отношении смешения света можно сформулировать общее положение: комбинация трех пучков света с различными длинами волн дает свет почти любого цвета, при условии что один пучок света будет взят из длинноволновой части спектра (красный), другой — из средней (зеленый или желто-зеленый), а третий — из коротковолновой (синий или фиолетовый). Это иногда называют законом трех первичных цветов. В качестве иллюстрации приведем эксперимент на сравнение цветов, в котором испытуемого просят путем смешения грех цветных пучков света подобрать цвет, соответствующий цвету эталонного источника света. Если для смешения используются источники света из трех частей спектра — например, с длинами волн 450 нм (синий), 560 нм (зеленый) и 640 нм (красный), — то испытуемый всегда сможет подобрать свет, соответствующий эталонному. Однако если испытуемому дать для смешения только два источника света — например, с длиной волны 450 нм и 640 нм, — то он не сможет подобрать пару ни для какого эталонного источника. Число 3, следовательно, здесь имеет важное значение.

Иногда источники света, весьма различающиеся физически, могут выглядеть для человека одинаково, из чего нам придется заключить, что к таким различиям мы слепы. Без такой слепоты воспроизведение цвета было бы невозможно. Для реалистичного воспроизведения цвета в фотографии и на телевидении используется тот факт, что путем смешения всего нескольких цветов можно получить широкий диапазон цветов. Если, например, вы посмотрите на свой телеэкран через увеличительное стекло, то обнаружите, что он состоит из точек всего трех цветов (синего, зеленого и красного). Аддитивное смешение происходит благодаря тому, что точки расположены настолько близко, что их изображения на сетчатке перекрываются (способ представления цветовых смесей показан на рис. 4.17).

Дефекты цветовосприятия.Большинство людей подбирают многие цвета, смешивая три первичных цвета, но некоторые люди добиваются этого путем смешения только двух первичных цветов. У таких людей — их называют дихроматы — дефект цветового зрения, поскольку они не различают некоторые цвета, которые обычные люди (трихроматы) могут различить. Но дихроматы все-таки могут различать цвета. Иначе обстоят дела у монохроматов, которые неспособны вообще различать длины волн. У них подлинная цветовая слепота. (Для выявления цветовой слепоты используется тест, аналогичный приведенному на рис. 4.19, — это более простая процедура по сравнению с экспериментом, в котором применяется смешивание цветов.) В большинстве случаев дефекты цветового восприятия имеют генетическое происхождение. Цветовая слепота встречается чаще у мужчин (2%), чем у женщин (0,03%), поскольку критические гены здесь — это рецессивные гены в Х-хромосоме (Nathans, 1987).

Рис. 4.19. Тестирование цветовой слепоты.В тесте на цветовую слепоту используются две картинки. На левой картинке некоторые индивиды, страдающие определенными видами красно-зеленой слепоты, увидят только цифру 5, некоторые — только цифру 7, а некоторые — вообще никаких цифр. Сходным образом, на правой картинке люди с нормальным зрением видят число 15, тогда как люди с красно-зеленой слепотой никакого числа не увидят.

Теории цветового зрения. Имеются две основные теории цветового зрения. Первую из них выдвинул Томас Янг в 1807 году. 50 лет спустя его теорию развил Герман фон Гельмгольц.

Согласно трихроматической теории Янга—Гельмгольца (эту теорию называют также трехкомпонентной.— Прим. ред.), хотя человек может различать множество цветов, у него есть только три типа цветовых рецепторов (колбочек). Каждый рецептор чувствителен к широкому диапазону длин волн, но сильнее всего он реагирует на узкий участок диапазона. Как показано на рис. 4.20, рецептор коротких волн наиболее чувствителен к волнам короткой длины (синий цвет), рецептор средних волн — к волнам средней длины (зеленый и желтый цвет), а рецептор длинных волн — к длинным волнам (красный). Совместная работа этих трех рецепторов и определяет ощущение цвета. То есть свет с определенной длиной волны стимулирует эти три типа рецепторов в разной степени, и конкретное соотношение активности в этих рецепторах ведет к ощущению определенного цвета. Следовательно, в дополнение к нашему прежнему разговору о кодировании качества стимула можно сказать, что, согласно трихроматической теории, цветовое качество кодируется паттерном активности трех рецепторов, а не путем использования отдельных рецепторов для каждого цвета.

Рис. 4.20. Трихроматическая теория.Функции ответов рецепторов коротких, средних и длинных волн, согласно трихроматической теории. Эти кривые позволяют определять относительную реакцию каждого рецептора на свет любой длины волны. В показанном здесь примере для определения реакции каждого рецептора на свет с длиной волны 500 нм надо провести линию вверх от отметки «500 нм» и затем пометить, где она пересекает каждую из кривых (по: Wald & Brown, 1965).

Трихроматическая теория объясняет связанные с цветовым зрением факты, которые мы уже упоминали. Во-первых, человек может различать разные длины волн потому, что они воздействуют на три типа рецепторов, вызывая у них неодинаковую реакцию. Во-вторых, закон трех первичных цветов вытекает непосредственно из трихроматической теории. Для любого цвета мы можем подобрать комбинацию из трех достаточно отстоящих друг от друга длин волн, потому что эти три различные волны активируют три различных типа рецепторов, и именно активность этих рецепторов стоит за восприятием тестового цвета. (Теперь мы понимаем значение числа три.) В-третьих, трихроматическая теория объясняет различные дефекты цветовосприятия отсутствием одного или более из трех типов цветовых рецепторов: у дихроматов с рождения отсутствуют рецепторы одного типа, а у монохроматов — два из трех типов рецепторов. Помимо объяснения этих давно известных фактов, трихроматическая теория позволила биологам открыть эти три типа рецепторов. Теперь мы знаем, что в сетчатке глаза человека действительно сосуществуют колбочки трех типов.

Несмотря на свои успехи, трихроматическая теория не может объяснить некоторые хорошо известные явления цветового восприятия. В 1878 году Эвальд Геринг заметил, что с феноменологической точки зрения все три цвета можно описать как состоящие из одного или двух следующих ощущений: красного, зеленого, желтого и синего. Геринг отметил также, что человек никогда не воспринимает что-либо как красновато-зеленое или желтовато-синее; смесь красного и зеленого скорее будет выглядеть желтой, а смесь желтого и синего — скорее белой. Из этих наблюдений следует, что красный и зеленый образуют оппонентную пару, так же как желтый и синий, и что цвета, входящие в оппонентную пару, не могут восприниматься одновременно. Понятие оппонентных пар получило дальнейшую поддержку из исследований, в которых испытуемый сначала смотрел на цветной свет, а затем — на нейтральную поверхность. При рассматривании нейтральной поверхности испытуемый говорил, что видит на ней цвет, дополнительный первоначальному (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Цветовой круг.Простой способ представления цветовых смесей — это цветовой круг. Спектральные цвета (цвета, соответствующие длинам волн в диапазоне чувствительности человека) представлены пятнами, расположенными по периметру круга. Два конца спектра не сходятся; пространству между ними соответствуют неспектральные красные и пурпурные тона, которые можно получить при смешении длинных и коротких волн. Внутри круга находятся цветовые смеси. Цвета, расположенные ближе к центру круга, — менее насыщенные (белее); белый цвет находится в самом центре. Смеси любых двух цветов располагаются на прямой линии, соединяющей два пятна. Если линия проходит через центр круга, то смесь этих цветов, взятых в нужной пропорции, будет выглядеть белой; такие пары цветов называются дополнительными цветами.

Эти феноменологические наблюдения побудили Геринга предложить другую теорию цветового зрения, названную теорией оппонентных цветов. Геринг полагал, что в зрительной системе имеются два типа цветочувствительных элементов. [В контексте теории Геринга «элемент» следует понимать как устройство, дающее противоположные реакции на цвета оппонентной пары. Согласно Герингу, имеются три таких пары: помимо упомянутых в оригинале двух основных третья пара представляет соотношение «белое—черное». — Прим. ред.] Один тип реагирует на красный или зеленый, другой — на синий или желтый. Каждый элемент противоположно реагирует на свои два оппонентных цвета: у красно-зеленого элемента, например, сила реакции возрастает при предъявлении красного цвета и снижается при предъявлении зеленого. Поскольку элемент не может реагировать сразу в двух направлениях, при предъявлении двух оппонентных цветов одновременно воспринимается белый цвет (рис. 4.21). Теория оппонентных цветов может объяснить наблюдения Геринга, относящиеся к цвету, а также другие факты. Она объясняет, почему мы видим именно те цвета, которые видим. Мы воспринимаем только один тон — красный или зеленый и желтый или синий, — когда баланс смещен только у одного типа оппонентной пары, и воспринимаем комбинации тонов, когда баланс смещен у обоих типов оппонентных пар. Объекты никогда не воспринимаются как красно-зеленые или желто-синие потому, что элемент не может реагировать в двух направлениях сразу. Кроме того, эта теория объясняет, почему испытуемые, которые сначала смотрели на цветной свет, а затем — на нейтральную поверхность, говорят, что видят дополнительные цвета; если, например, испытуемый сначала смотрит на красное, то красная компонента пары утомляется, в результате чего вступает в игру зеленая компонента.

Таким образом, есть две теории цветового зрения — трихроматическая и теория оппонентных цветов, и каждая из них какие-то факты может объяснить, а какие-то нет. Десятилетиями эти две теории считались конкурентными, пока исследователи не предложили компромисс в виде двухстадийной теории, согласно которой три типа рецепторов, предусмотренных в трихроматической теории, поставляют информацию для цвето-оппонентных пар, расположенных на более высоком уровне зрительной системы (Hurvich & Jameson, 1974). Данная точка зрения предполагает, что в зрительной системе должны существовать нейроны, функционирующие как блоки оппонентных цветов и обрабатывающие зрительную информацию после ретины (сетчатки) (которая содержит три рода рецепторов согласно трехкомпонентной теории). И действительно, такие цветооппонентные нейроны были обнаружены в таламусе — одной из промежуточных станций между сетчаткой и зрительной корой (DeValois & Jacobs, 1984). Эти клетки обладают спонтанной активностью, которая повышается при реакции на один диапазон длин волн и снижается при реакции на другой. Так, некоторые клетки, расположенные на более высоком уровне зрительной системы, возбуждаются быстрее, когда сетчатка стимулируется синим светом, чем когда она стимулируется желтым светом; такие клетки составляют биологическую основу сине-желтой оппонентной пары. Суммирующая нейронная проволочная диаграмма, показывающая, как могут быть связаны между собой трихроматическая и оппонентно-процессуальная теории, представлена на рис. 4.22.

Рис. 4.22. Как связаны между собой трихроматическая теория и теория оппонентных процессов.На схеме показано, как три типа рецепторов связаны с продуцированием оппонентно-процессуальных нейронных реакций на поздних стадиях обработки. Числа в трапециях, изображающих колбочки, указывают длины волн, соответствующих максимальной чувствительности. Линии со стрелками соответствуют связям, повышающим активность; линии с точками соответствуют связям, понижающим активность. Заметьте, что это лишь небольшая часть всей системы. Существует и другой набор оппонентно-процессуальных элементов, с противоположным характером повышающих и понижающих активность связей.

Это исследование цветового зрения является замечательным примером успешного взаимодействия психологического и биологического подходов к проблеме. В рамках трихроматической теории было выдвинуто предположение, что существуют три типа цветовых рецепторов, и в последующих биологических исследованиях было установлено наличие в сетчатке колбочек трех типов. В теории оппонентных цветов было высказано предположение о существовании в зрительной системе элементов другого рода, и в дальнейшем биологи нашли цветооппонентные клетки в таламусе. Более того, для успешной интеграции этих двух теорий требовалось, чтобы трихроматические клетки поставляли информацию цветооппонентным клеткам, — и это также подтвердилось в последующих биологических исследованиях. Так что во многих случаях проблемная работа на психологическом уровне указывала путь к биологическим открытиям. Неудивительно, что многие ученые приняли анализ цветового зрения в качестве прототипа для анализа работы других сенсорных систем.

Слух

Так же как и зрение, слух является важнейшим средством получения информации об окружении. Для многих из нас это основной канал коммуникации и средство передачи музыки. Как мы увидим, все это возможно благодаря тому, что небольшие изменения звукового давления приводят в колебательное движение мембрану внутреннего уха.

Мы будем рассматривать слух по тому же плану, что и зрение. Сначала мы рассмотрим природу физического стимула, к которому чувствителен слух, потом опишем слуховую систему, уделив особое внимание преобразованиям в рецепторах, и наконец обратимся к кодированию интенсивности и качества звука слуховой системой.