Сопоставление некоторых представлений светотехники и науки о зрении

«Наука о зрении - это царство борьбы концепций и неопределённости, тогда как в светотехнике правит объективность. Фотометрия никогда не будет полностью сопоставима с какой-либо одной моделью зрения». Одной из современных проблем является, помимо прочего, то, что традиционные фотометрия и колориметрия имеют дело с пространственно однородными и равномерно освещёнными образцами, тогда как в современных реальных условиях мы постоянно сталкиваемся со сложными текстурами и, как правило, неравномерным распределением света. В частности, перспективными являются исследования в области фотометрических оценок, связанных с восприятием.

Приведённые здесь экспериментальные данные связаны с принципиальными особенностями разработанных в рамках науки о зрении и светотехники подходов к переходу от традиционно считающихся «неизменными» аспектов зрительной работы в условиях дневного зрения к переходному сумеречному зрению.

1. Ретроспектива изучения перехода от дневного зрения к сумеречному

Различие между дневным и сумеречным зрением (рис. 1) признаётся как наукой о зрении, так и светотехникой. Соответствующие психофизические аспекты отображаются в виде графиков, отражающих традиционную совокупность законов зрительного восприятия, примеры которых приведены на рис. 2. Если вкратце, то за переходной сумеречной областью следует присущая дневному зрению «стабильность» или независимость от яркости адаптации, что отмечали уже много лет назад, считая все изменения пренебрежимо малыми в определённых приемлемых пределах. Например, вспомним дискуссию относительно верхней границы сумеречной области, связанную с некоторой зависимостью этой границы от размеров стимулов и соответствующих небольших изменений имеющих определённый эксцентриситет характеристик сетчатки вокруг фовеа. В ряде случаев максимум функции спектральной световой эффективности для дневного зрения смещался, видимо, в сторону длинных волн. Однако этими эффектами пренебрегали, чтобы избежать неоднозначности результатов фотометрических измерений.

Светотехника и наука о зрении Рис 1

Десятилетиями считалось, что верхняя граница области сумеречного зрения соответствует 1 кд/ м2 (яркость белого горизонтально расположенного листа бумаги на закате ясного дня). Затем эта граница была светодиодывинута к 3 или 4 кд/ м2, а недавно она была смещена в точку 10 кд/ м2, соответствующую началу насыщения палочек. Тем не менее не следует забывать о том, что, как неоднократно отмечал Стайлз (Stiles), после начала соответствующего 10 кд/ м2 насыщения палочки остаются активными (хотя и в меньшей степени) вплоть до 120 кд/ м2. Его оппоненты говорят о возможности подавления палочек колбочками, несмотря на то, что связанные с работой нервной системы доказательства этой гипотезы всё ещё подвергаются сомнению. Для сохранения хронологического порядка вспомним мнение Райта (Wright): «... не вызывает сомнений тот факт, что при увеличение интенсивности возбуждения относительная активность колбочек возрастает, а относительная активность палочек уменьшается . однако . пассивность палочек при высоких интенсивностях возбуждения, возможно, не столь очевидна, как это считалось ранее, и нет никаких доказательств их пассивности при сильном возбуждении.

Светотехника и наука о зрении Рис 2

В настоящее время считается, что сумеречная область занимает примерно 3-4 логарифмические единицы яркости в естественных условиях, во многих условиях внутреннего освещения и в большинстве случаев движения транспорта в сумерки и в ночное время.

Более того, влияние палочек на колбочки имеет место в охватывающем более четырёх логарифмических единиц диапазоне яркостей, не говоря уже о том, что палочки преобладают над колбочками в пределах нижней ветви эффекта Пуркине.

В общем, палочки активны в диапазоне 6 десятичных разрядов изменения яркости (включающем более 4-х логарифмических единиц изменения яркости, когда они работают совместно с колбочками) вплоть до равной 10 кд/ м2 яркости, при которой начинается насыщение палочек. Было обращено внимание на явление Бецольда-Брюкке (зависимость цветового тона и чистоты цвета от яркости), которое имеет место в диапазоне, охватывающем 4-5 логарифмических единиц яркости, начиная от порога восприятия и идентификации цветов. Теперь читатель может сам правильно отождествить вышеупомянутые диапазоны изменения яркости на рис. 1.

Как бы то ни было, многие годы учащихся в процессе обучения убеждали в том, что в области дневного зрения, особенно при высоких уровнях яркости, работают только колбочки. Одни только палочки работают в условиях полной темновой адаптации при соответствующих ночному зрению уровнях яркости. Однако в сумеречной области колбочки и палочки работают вместе и влияют друг на друга. Это верно в первом приближении. В настоящее время проводятся работы в области моделирования сумеречного зрения и создания унифицированных фотометрических систем, что позволит установить приемлемую связь в этом вопросе между наукой о зрении и светотехникой.

Цель данной работы


Наша цель заключалась в количественном описании как характеристик и ограничений при «стабильной» зрительной работе в условиях адаптации глаза к дневным уровням яркости, так и «нестабильных» характеристик в случае сумеречного зрения. Мы исходили из высказанного в 1946 г. мнения, что вышеупомянутая стабильность имеет место в случае лишь некоторых задач и обстоятельств. Следуя высказанным предложениям, мы оценивали кривые зависимости реакции наблюдателей от яркости адаптации на предмет их стабильности или переходности (то есть какие они: крутые или более или менее плавные). Нашим наблюдателям была поставлена конкретная задача: они должны были провести визуальное сравнение двух образцов, отличающихся друг от друга своим информационным наполнением, в очень широком диапазоне изменения яркости адаптации. Наша основная идея состояла в том, что «стабильность» дневного зрения будут тем очевиднее, чем менее простым будет стимул. Термин «простой» относится к традиционной методике проведения экспериментов, когда используются маленькие пространственно однородные объекты исследований, воздействующие факторы изменяются поочерёдно и исключаются контекстуальные эффекты, что позволяет выявить чисто физиологические реакции, по возможности свободные от дополнительных воздействий. Признанные официально законы зрительного восприятия относятся именно к этим практически нереальным условиям. С другой стороны, современные исследования зрительного восприятия проводятся в реальных условиях с использованием сложных объектов исследований и сцен при одновременном изменении различных воздействующих факторов. Мы ожидаем, что стабильность будет очевиднее в последнем, а не в первом, случае.

Светотехника и наука о зрении Рис 3

Одна из предпосылок состояла в том, что «стабильность» должна быть чем-то вроде аналога «постоянства восприятия», которое требует одновременного присутствия по меньшей мере трёх разных стимулов и их взаимного влияния. Как хорошо известно применительно к численному моделированию зрения, роль взаимного влияния стимулов довольно сложно интерпретировать на уровне карт характерных эффектов и особенностей. С одной стороны, сочетание различных эффектов ослабляет некоторую неоднозначность, присущую небольшим целям, а с другой стороны, в зависимости от условий проведения эксперимента могут реализовываться противоречащие друг другу эффекты, например: субаддитивность или супераддитивность, усиление или ингиби-рование, компенсация или нейтрализация, ассимиляция или противодействие. Эти известные с незапамятных времён обстоятельства, затрудняющие прогнозирование реакции, изучает современная наука о зрении. Напомним, что современные исследования показали, что сочетание различных стимулов приводит к невозможности идентификации этих стимулов, но только не в случае цвета. Фактически, хотя цвет и воспринимается в сочетании со всеми прочими характеристиками, он остаётся независимым и не подчиняется тем же, что и прочие характеристики, законам сопряжения (laws of the conjunction).

И наконец, отметим, что «стабильность» дневного зрения подтверждается рядом важных основополагающих фактов. Например, вспомним не зависящее от используемых стимулов сравнение цвета [Wyszecki and Stiles, 1982, p.1302]. Иными словами, условия сравнения цвета остаются неизменными в широком диапазоне изменения стимулов и условий наблюдения, если соответствующие функции сложения цветов умножить на любые три коэффициента. Отступление от этого правила и зависимость результатов от используемой методики эксперимента были продемонстрированы (несмотря на возражения) в диапазоне от 8000 до 10000 троландов [Wyszecki and Stiles, 1982, p.3742]. Это отступление от правила было соотнесено с обесцвечиванием светочувствительных пигментов, что подтвердило первоначальное предположение. Считается, что колориметрия хорошо работает при условии, что относительная спектральная световая эффективность остаётся «неизменной». Её независимость от яркости адаптации в диапазоне дневного зрения является следствием того, что V(X) рассматривается как комбинация функций сложения цветов. Отклонения синей ветви V(X) в настоящее время, после многочисленных предложений и дебатов, «корректируют». Другими мелкими отклонениями пренебрегают, чтобы избежать упоминавшейся выше неоднозначности результатов фотометрических измерений.

Эти основополагающие факты в части «стабильности» дневного зрения не следует недооценивать, и необходимо учитывать, что в основе традиционных фотометрических оценок лежат «физические измерения» без учёта того, что «обусловлено нейрофизиологическими механизмами зрения». Список механизмов, участвующих в процессе зрительного восприятия после попадания света в глаз, очень велик, и современные исследования направлены на установление их иерархии в протекании этого процесса. С этой целью были модернизированы традиционные методы психофизических исследований. Например, в первую очередь необходимо определить общую реакцию, так как традиционные реакции на простые ситуации не позволяют описать многомерное пространство восприятия.

Образцы и метод


Наши эксперименты можно разделить на три группы, первую из которых образуют традиционные эксперименты, в рамках которых наблюдателю одновременно предъявляются два пространственно однородных (картонных) образца, равномерно освещённых и отличающихся по цвету. Наблюдатель должен непосредственно определить отношение их светлот или соотнести каждый из образцов с одной из ступенек ахроматической шкалы системы естественных цветов (NCS).

Особенностью второй группы экспериментов является их оригинальность, состоящая в том, что исследовалась «полная» реакция, то есть зрительный баланс. Вкратце, наблюдателю демонстрируют прямоугольную картинку (на чёрном фоне) (рис. 3), на которой текстурованный или узорчатый квадратный испытуемый образец размером 100 х 100 помещается вплотную к эталонному образцу, имеющему ту же высоту и переменную ширину wR. Если испытуемый и эталонный образцы имеют различное информационное содержание [Julesz, 19712], то соответствующее балансу значение wR будет отличаться от 100. Так что задача заключается в сопоставлении двух стимулов, имеющих разные соотношения ширины и высоты. Аналогичная ситуация имела место в случае экспериментальных исследований распознавания зеркальной симметрии. Роль различия площадей испытуемого и эталонного образцов обсуждалась на всём протяжении 19-го века, причём баланс рассматривался как часть зрительной гармонии. Влияние соотношения площадей двух сравниваемых образцов было признано лишь в начале 20-го века в виде сформулированного Манселлом в 1905 году правила «маленькие участки с высокой насыщенностью цвета уравновесят большие участки с низкой насыщенностью цвета»; аналогичную точку зрения высказывали Оствальд в 1922 году («чем чище, тем меньше»), Моррис и Данлап в 1988 году и другие.

В нашем эксперименте баланс оценивался экспериментально методом постоянных стимулов (десять реакций на одну точку). Наблюдатели могли давать три ответа: «Да, баланс есть», «Нет, баланса нет» и «Неясно» (последние результаты были поделены поровну и приплюсованы к первым двум) - для каждого выбранного заранее значения wR. Результатом каждой серии экспериментов была соответствующая фотометрическая кривая (рис. 3, внизу).

В принципе, зрительный баланс можно использовать даже в случае простых стимулов при проведении традиционных экспериментов (например, сравнение серого испытуемого и серого эталонного образцов, имеющих разные коэффициенты отражения). В случае же сложных зрительных стимулов (текстурованных, структурированных, шероховатых) или при сочетании различных параметров использование зрительного баланса становится необходимым. Например, разность или отношение светлот двух равноцветных образцов определить легко, но эта задача существенно усложняется, если два образца отличаются по цвету и, кроме того, в ходе эксперимента имеет место изменение цветовой температуры иллюминанта. Задача становится трудновыполнимой, если испытуемый и эталонный образцы имеют пространственно сложную форму, многоцветны и разнятся в части текстуры и рисунка. Баланс, понимаемый как совпадение зрительных весов и как расширение понятия зеркальной симметрии двух образцов с разным информационным содержанием, может оказаться решением этой проблемы, при условии высокой квалификации и опытности наблюдателя. Напомним, что такие пионеры в этой области, как Julesz, Caelli и Barlow, проводили подобные эксперименты ещё в середине 20-го века, когда в исследующих зрение лабораториях появились компьютеры, позволившие формировать любые текстуры посредством соответствующей фильтрации совокупностей случайных точек.

Результаты экспериментов


Классический эффект Пуркине как объект экспериментов первой группы


Классический характер взаимосвязи цвета и света был открыт в 1823 г. и носит имя своего первооткрывателя Я.Э. Пуркине, который заметил, что на закате изменяются относительные светлоты наблюдаемых в естественных условиях красных и синих объектов. В результате лабораторных исследований, проводившихся с использованием монохроматических стимулов, было установлено, что наблюдаемый при наступлении темновой адаптации более быстрый спад чувствительности в красной области спектра по сравнению с её спадом в синей области спектра обусловлен смещением максимума кривой спектральной чувствительности, изменяющейся с V(X) на V' (X).

Гораздо меньше экспериментов проводилось в реальных условиях с использованием цветных поверхностей. И причиной того, что в по-свящённых зрению учебниках до сих пор нет общепризнанных графических представлений функции спектральной чувствительности, является имеющее место в этих условиях усиление влияния связанных со стимулами факторов по сравнению с лабораторными условиями.

Исторически сложилось так, что в большинстве связанных с эффектом Пуркине экспериментов сравнивались красный и синий цвета. Однако в наших экспериментах мы сравнивали красный цвет с зелёным (обозначаемые в системе естественных цветов как S0580-Y90 R и S0565-G10Y соответственно). Замена синего цвета на зелёный обусловлена тем, что в сумеречном диапазоне работают и палочки, и колбочки, а для палочек предпочтительным является зелёный свет, так как сумеречному зрению соответствует та же, что и дневному зрению, спектральная световая эффективность V(X), имеющая максимум на длине волны 507 нм (синевато-зелёное излучение).

Светотехника и наука о зрении Рис 4,5

На рис. 4 и 5 приведены некоторые данные, полученные тремя высококвалифицированными и опытными наблюдателями. Рис. 4 соответствует простому стимулу, состоящему из пары пространственно однородных картонных квадратов размером 2,50 х 2,50 с равным 50 расстоянием между центрами. Задача наблюдателя заключалась в непосредственной оценке отношения светлот красного и зелёного образцов r/g в ясный день, начиная с момента захода солнца, когда оба образца представлялись имеющими одинаковую светлоту (в соответствии с рекомендациями). Размер близкого к зениту участка неба, который освещал образцы, составлял примерно 400 в диаметре. Как и ожидалось, отношение r/g оказалось меньше единицы и сравнительно быстро уменьшается, демонстрируя два разных наклона.

На рис. 5 показан другой вариант того же эффекта. В этом случае между красным и зелёным образцами помещали ахроматическую шкалу системы естественных цветов. Задача наблюдателя состояла в том, чтобы, смещая шкалу сравнения, подобрать ахроматический образец, светлота которого совпадала бы со светлотой красного образца. Затем то же самое осуществлялось применительно к зелёному образцу. Черноту N подобранного образца преобразовывали в соответствующую светлоте величину (100 - N), не забывая при этом о предостережении. Здесь соответствующий зелёному цвету график идёт практически горизонтально, а это означает, что спад светлоты зелёного образца по мере наступления темновой адаптации совпадает со спадом светлоты ахроматического образца, тогда как светлота красного образца, как и ожидалось, спадает быстрее.

 «Стабильность» дневного зрения в экспериментах второй группы


Приведённые на рис. 6 данные были впервые получены в лабораторных условиях с использованием красных и зелёных однородных картонных образцов (как и на рис. 4 и 5), расположенных вплотную друг к другу, как это показано в верхней части рис. 3. Задача наблюдателя состояла в том, чтобы определить ширину wR красного эталонного образца размером 10о х wR (wR - переменная величина), способного сбалансировать красный испытуемый образец размером 10о х 10о. Зависимость этого, характеризуемого соответствующей балансу шириной эталонного образца wR, «общего» восприятия от яркости представлена на рис. 6. Дневное зрение теряет свою «стабильность», когда яркость эталонного образца (Lrej) достигает равной примерно 1 кд/ м2 величины, соответствующей началу «сумеречного спада» представленной на рисунке зависимости. Эта потеря «стабильности» говорит о том, что зрительный вес испытуемого красного цвета возрастает быстрее, чем вес зелёного эталонного цвета. Фактически, обеспечивающая баланс величина wR и, следовательно, соответствующая площадь испытуемого образца возрастают по мере наступления тем-новой адаптации.

Светотехника и наука о зрении Рис 6

Теперь посмотрим, что случится со «стабильностью» дневного зрения при замене пространственно однородного картонного испытуемого образца на пространственно неоднородный. Как предельный случай неоднородности мы использовали показанный на рис. 7 кусок разноцветного гобелена. Эталонный образец представляет собой имеющий переменную ширину прямоугольник, связанный из серой шерсти (платочная вязка) и имеющий ту же, что и испытуемый образец, высоту шероховатости (2,5 мм). Испытания проводились при разных освещённостях, благодаря чему яркостный контраст между испытуемым и эталонным образцами оставался неизменным на всём протяжении эксперимента. Как показано на рис. 8, в этом случае стабильность охватывает участок, равный трём логарифмическим единицам яркости эталонного образца, и, следовательно, захватывает и часть диапазона сумеречного зрения. Это, похоже, служит подтверждением того, что (как и в случае неизменности восприятия) сочетание различных взаимодействующих факторов способствует улучшению стабильности по сравнению со случаем изменения только одного фактора.

Светотехника и наука о зрении Рис 7,8

На рис. 8 приведены данные, соответствующие граничному случаю. Возникает вопрос о степени неравномерности, необходимой для его реализации. Для ответа на этот вопрос мы посвятили ряд экспериментов регистрации баланса при использовании красных и зелёных картонных образцов, однородность которых была заменена на наличие образованных чёрными линиями решёток заданной пространственной частоты (2,5 периода на градус). На рис. 9 и 10 показано, насколько стабильность дневного зрения и наклон сумеречной ветви чувствительны к способу представления образцов (объекты исследования показаны на рисунке). Прежде чем Сделать какие-либо выводы, необходимо провести должным образом спланированные дополнительные эксперименты. Очевидно, что эффект Пурки-не является многомерным.

Светотехника и наука о зрении Рис 9,10

К переходной функции в случае зрительного баланса


На рис. 11 приведены данные о балансе, полученные посредством регистрации ширины пространственно однородного зелёного эталонного образца (его яркости указаны на рисунке), позволяющей сбалансировать испытуемый образец, представляющий собой квадратную решётку из отстоящих на разном расстоянии друг от друга чёрных и зелёных линий (переменная пространственная частота fs). Цвет и яркость зелёных линий испытуемого образца совпадают с цветом и яркостью однородного эталонного образца, так что полученные данные отражают влияние только пространственной частоты, обусловленное воспринимаемым яркостным контрастом в пределах испытуемого образца (физический контраст остаётся неизменным). Обратите внимание на то, что баланс можно зарегистрировать при сравнительно малых значениях пространственной частоты (не превышающих 5 периодов на градус), так как, в принципе, баланс основан на обусловленной восприятием интеграции пространственных характеристик, обеспечиваемой механизмами центрального (фовеального) зрения, причём имеется ряд ограничений, отличных от ограничений, накладываемых в случае периферического зрения.

Светотехника и наука о зрении Рис 11

Кроме того, соответствующие сумеречной области графики в правой части рис. 11 демонстрируют присущее полосовым фильтрам поведение, тогда как графики в левой части рисунка демонстрируют поведение, присущее фильтрам низких частот. Это может указывать на то, что в областях дневного и сумеречного зрения рецепторы взаимодействуют по-разному. Интересный факт имеет место при переходе из области дневного зрения в область сумеречного зрения, которому соответствует расположенный между 0,6 и 0,8 кд/ м2 узкий интервал изменения яркости эталонного образца. Помимо отсутствия горба, эти графики расположены ниже, что говорит об уменьшении зрительного веса испытуемого образца в начале области сумеречного зрения. Этот эффект можно связать с «обратным эффектом Пуркине (inverse Purkinje effect)», отмеченном при равной 11 кд/ м2 яркости при экспериментальных исследованиях мелькания [Dow, 19062; Gallisot, 19102] и упоминавшемся в [8], где, однако, это было сочтено незначительным эффектом. Упомянутый эффект не проявляется на приведённом на рис. 10 сходном графике, который соответствует частоте 2,5 периодов на градус, так как на нём представлены данные, усреднённые по всем трём наблюдателям, что привело к сглаживанию небольших индивидуальных особенностей, тогда как на рис. 11 представлены данные, полученные одним наблюдателем.

Заключение


Полученные нами результаты демонстрируют что-то вроде «стабильности» в области дневного зрения некоторых сторон зрительного восприятия и некоторых зрительных задач. В частности, это применимо к общей реакции, когда сочетание нескольких факторов приводит к способствующим «стабильности» взаимодействиям. Это, в сущности, подтверждается лежащими в основе численного моделирования зрения принципами, подразумевающими постоянство восприятия с его «пренебрежением иллюминантом» при условии одновременного присутствия не менее трёх объектов.

Показано, что в случае сумеречного зрения более быстрое ослабление восприятия красного цвета по сравнению с восприятием зелёного цвета может происходить медленно, с умеренной скоростью или резко, в зависимости от сочетания воздействующих факторов. Интерпретация этих изменений - дело будущего. Возможно, потребуются дополнительные экспериментальные данные, и существенную помощь могут оказать результаты исследований, проводимых в настоящее время в области зрительного восприятия. Напомним, что тот или иной факт можно объяснить только после отождествления соответствующих невральных механизмов.

В заключение отметим, что ещё не пришло время предложить общую «адаптированную» применительно к светотехнике версию эффекта Пуркине, которая соответствовала бы реальным условиям повсеместного распространения текстурованных объектов.