Закулисье
КГ… В последнее время... Началось активное обсуждение вопросов,
особенно тех, что были подняты в материалах по искусственному
интеллекту, в том числе и по зрительному восприятию. Один читатель
вступил в споры очень резко, предлагая как единственно верную теорию
нашего цветовосприятия в виде открытия Хьюбела (за что тот получил
Нобелевскую премию). Он (читатель) считает, что трехкомпонентная модель
Ломоносова- Юнга-Гельмгольца абсолютно ничего не объясняет. При этом и
сам ничего объяснить не смог. Другой (тоже читатель) достал книгу чуть
ли не тридцатого года прошлого века и начал ее цитировать, третий (опять
же читатель) нашел материал о папуасах, которые как-то по особенному
видят, четвертый (все также читатель) вообще вооружился семицветной
теорией Ньютона, а пятый (уже зрелый читатель) пригласил меня на личную
встречу, где вручил ксерокопию статьи журнала "Радио" за 1960 год, где
описаны опыты на базе диска Бенхэма.
Вот это, в том числе, мы
и обсудим. Живем мы в XXI веке, и проверить все самостоятельным образом
также можем, поскольку программируем. Эти опыты под силу реализовать
практически любому, кто интересуется и владеет каким-нибудь из языков
программирования. Итак, начнем с вводной части.
Экспериментальные
факты, некоторые из которых до сих пор широко обсуждаются, дают почву
для разделения мнений даже среди опытных ученых. Но далеко не все из
рассматриваемого и вызывающего споры доступно в наглядном виде для
обычного человека. Без должной экспериментальной базы ему приходится
многое принимать на веру. Отсюда возникает ряд проблем. Поэтому все, о
чем будет сейчас написано, может без особых усилий сделать у себя дома
любой программист и даже самый начинающий в рамках среды
Adobe/Macromedia Flash. И все увидеть самому.
Также стоит ввести
предупреждение о том, что очень много описанных опытов предусматривают
стробоскопический эффект, который в рамках ПО будет дополнительно
накладываться на частоту смены кадров монитора. То есть, все подобные
опыты лучше делать специально с возможностью медленного разгона, чтобы в
случае плохого самочувствия их исследование не принесло вреда.
Цветовое восприятие
Как
известно (немного повторим базис), человек обладает двумя типами зрения
— цветным и черно-белым, или сумеречным. За каждый из них отвечают свои
фоторецепторы — колбочки (их три вида) и палочки. Они отличаются
структурно, но принцип действия этих светочувствительных клеток имеет
схожую технологию, потому как и там, и там в качестве зрительных
пигментов используются сложные белки, меняющие свое состояние под
воздействием света.
Палочек практически в 20 раз больше, чем
колбочек (около 120 млн), они расположены по всей полусферической
поверхности сетчатки, причем подключение к волокнам зрительного нерва у
них происходит по схеме "много-к-одному". Единственный зрительный
пигмент — родопсин. Палочковое зрение обладает большой
чувствительностью, но при этом не различает цвета.
Колбочки,
которых значительно меньше, сосредоточены в центре сетчатки и начинают
функционировать при достаточно ярком освещении. У них три типа опсинов,
максимумы чувствительности которых приходятся на 445, 535 и 570 нм, что
соответствует нашему восприятию красного, зеленого и синего цветов, при
этом видимый спектр получается весьма обширным: 390-760 нм (от
пурпурного до фиолетового). При этом не стоит забывать, что существует
такое интересное свойство, как метамерия, в рамках которого сочетание
нескольких цветов могут вызывать ощущения другого цвета, натуральная
длина волны которого находится в другом диапазоне. Например, из синего и
красного при определенных их сочетаниях вы можете получить как
пурпурный, который находится в нижней части видимого спектра, так и
фиолетовый, который расположен в верхней его точке.
Зрение и
восприятие — разные понятия, поскольку за последнее отвечает мозг.
Причем все функционирует достаточно уникально. Например, любой дизайнер
или опытный художник вам расскажет о замкнутой системе восприятия,
которую весьма удобно можно представить в виде цветового колеса, в
рамках которого пурпурный переходит в фиолетовый (два крайних порога
воспринимаемого спектра) и все получается взаимосвязанным.
При
этом любой цвет (его ощущение) можно получить совершенно различными
сочетаниями. Сейчас наиболее распространены две цветовые модели: . RGB,
которая соответствует трем основным цветам (красный (R), зеленый (G) и
синий (B)).
. CMYK. Она называется субтрактивной в силу ее
природы, поскольку первые три цвета получены вычитанием из белого одного
из основных: (голубой (C) = белый минус красный, пурпурный (M) = белый
минус зеленый, желтый (Y) = белый минус синий), а последний blacK, если
объяснять просто, обратен белому.
CMYK более распространен в
полиграфии, поскольку в этом случае мы имеем дело с
отражающими/поглощающими поверхностями, в то время как модель RGB
большей частью используется в излучающих устройствах (мониторах,
телевизорах и т.п.).
Сам
по себе белый цвет (белый свет) имеет сложный спектральный состав,
который вызывает нейтральное ощущение фоторецепторов. Но в силу той же
метамерии его ощущения можно добиться различными сочетаниями (например,
сине-зеленый плюс красный, оранжевый и синий, зелено-желтый и фиолетовый
и т.п.).
На рисунке 1 показано цветное колесо и два варианта цветовых моделей.
Стробоскопический эффект
Отдельно
стоит сказать о таком параметре, как скорость нашего восприятия. Глядя
на монитор или в телевизор, вы не задумываетесь, что там идет смена
статических кадров в предельно короткое время. Вы воспринимаете это как
непрерывный процесс. На базе этого придумано множество технологий и
создается большое количество иллюзий, некоторые из которых находят
реальное техническое применение.
Наверное, первое, что нам нужно рассмотреть в качестве примера, — систему с последовательной передачей цветов.
Последовательная передача цветов
Этот
принцип рассматривали как один из первых вариантов перехода от ч/б кино
к цветному и, соответственно, такому же телевизионному вещанию. То есть
изображение формируется с помощью трех одноцветных кадров (красный,
зеленый, синий). Но они выводятся не одновременно, как в большинстве
современных систем, а последовательно, то есть один за другим и на очень
большой скорости. А поскольку наше восприятие имеет интегральные
(суммирующие) свойства, то оно эти кадры объединяет в единую цветную
"картинку".
Сейчас этот метод применим в проекторах с "цветным колесом".
На
рисунке 2 показан обыкновенный программный пример, в котором есть
окошко, поочередно меняющее цвета (красный, синий, зеленый), есть
регулировка скорости смены кадров, а также яркости. В результате при
максимальных настройках частоты и яркости вы получите мерцающую
картинку, которая будет ассоциироваться с серо-белым цветом
(светло-серым). В данном случае нужно ввести предупреждение о том, что
не стоит сильно увлекаться просмотром именно этого примера, потому как
подобное мерцание при длительном наблюдении не является полезным.
У
производителей первых проекторов с цветным колесом (где скорости
гораздо выше и согласованнее) в одно время возникли схожие проблемы,
потому как некоторые зрители жаловались на излишнюю утомляемость. В
результате модели на старом принципе действия значительно подешевели, а в
новой технике учли множество факторов, нарастили скорость, увеличили
количество цветов, стали использовать другие цветовые модели (не RGB).
То есть сейчас эти уникальные устройства практически безвредны.
Что
касается телевидения, то в качестве последовательно-цветовой системы
рассматривался вариант с цветными дисками, которые предполагалось
ставить у экрана ч/б телевизора и синхронизировать скорость вращения с
выводом кадров. Причем на серьезном уровне рассматривали варианты
усовершенствования вещания именно для этих технологий (сейчас у нас цвет
формируется с помощью трех электронных пушек и трех типов люминофоров в
ЭЛТ-варианте, тогда такое еще только разрабатывалось). Но на практике
все оказалось очень проблематичным. Диски шумели, на них накапливалось
статическое электричество и собиралось много пыли. Что касается вещания,
то нужно было утраивать частоту вывода кадров, для чего нужно было
усовершенствовать все модели ч/б телевизоров. В общем, массовых
технологий из этого не вышло.
Но мысли о том, как ч/б телевизор
превратить в цветной минимальными усилиями, не покидали инженеров. И,
кстати, достаточно пристальное внимание обратили на… незатейливую
игрушку/психофизиологический тест от Бенхэма, изобретенную еще в
позапрошлом веке.
Диск Бенхэма и другие эксперименты
Да,
сейчас мы будем крутить диски. Среди сообщества советских ученых,
инженеров и просто любителей науки весьма знаменательным событием стала
статья М. Бобневой "О новых опытах по цветопередаче и цветовосприятию",
опубликованная в 3-м номере журнала "Радио" за 1960 год. Материал
начинался с того, что в 1956 году в Англии проводился опыт с передачей
цветного изображения на ч/б телевизоре, а в 1959 в американской прессе
были опубликованы опыты доктора Лэнда, посвященные схожей тематике. Мы
обсудим и наглядно рассмотрим только первую часть, касающуюся английских
экспериментов.
Реализуя
программным способом колесо, показанное на рисунке 3, при его (этого
колеса) вращении в ту или иную сторону вы не увидите явного яркого
присутствия цвета, но меняется окрас. Нажатием кнопок "Вперед"/"Назад"
можно управлять скоростью и направлением вращения. При определенном
стечении параметров могут возникнуть четыре ситуации: центральная
(внутренняя) область начнет отсвечивать синеватым оттенком, а внешняя
приобретет легкий оттенок красного. После дальнейшего ускорения весь
диск окрасится в красноватый, а потом первая ситуация поменяется (центр —
красноватый, внешняя часть с синим отливом), а после весь диск будет
отсвечивать синим.
В
принципе, на данном этапе программистам самое главнее реализовать
"движок", а потом для других экспериментов можно просто "менять колеса".
На рисунке 4 показан классический диск Бенхэма, который еще в
некомпьютерную эпоху служил настольной игрушкой, удивляя многих детей и
взрослых людей своим результатом. При достаточно интенсивном вращении по
часовой стрелке (кнопка "Вперед", нажатая несколько раз) кольца
окрашиваются в различные цвета в одном порядке (если начинать от
внешних, то это сине-фиолетовый, потом, если смотреть, направляясь к
центру, все переходит в зеленый, желтый, красный), а против часовой —
распределение цветов происходит в обратном порядке. В обоих случаях мы
видим некое подобие спектра.
На данном этапе
программисту-экспериментатору следует несколько отойти от журнальной
статьи и расширить опыт с диском Бенхэма, заменив черный цвет… например,
на красный, который в RGB-варианте записывается как FF0000 (первые два
шестнадцатеричных символа — красный (R), вторые два — зеленый (G),
третья пара — синий (B), соответственно, белый — FFFFFF, черный —
000000).
Здесь вы увидите примерно такую же картину с разложением
спектра, только красно-белого, причем обратите внимание на то, что
здесь начинают присутствовать и более "темные" по нашему восприятию
цвета.
Коричнево-белый, хотя вернее этот коричневый назвать темно-красным (660000 по RGB), даст другой интересный результат.
И напоследок можете поэкспериментировать со "смесями", сделав, например, черно(000000)-желтый(FFFF00) вариант.
Следует отметить, а вы это выясните в результате опытов, что далеко не все сочетания могут давать посторонние цвета.
***
Теперь
переходим обратно к статье из журнала "Радио", из которой узнаем, что
англичане уже совместно с австрийцами нашли интересный выход, а именно,
создали специальные модификации колес Бенхэма, которые дают три ключевых
цвета. Мы повторили их опыты, и вы можете увидеть демонстрацию
изобретения на специальных флеш-презентациях.
Итак,
диск, отображенный на рисунке 5, поделен на семь сегментов, и в данном
примере вращение по часовой дает синий, против часовой — красный. В
варианте, показанном на рисунке 6, остается семисегментное деление, но в
результате получается зеленый, который возможен как при движении против
часовой, так и по.
Но
вращающиеся диски в практическом применении не очень удобный вариант (а
экспериментаторы задались целью сделать цветное ТВ), поэтому
изобретатели решили пойти дальше и перенести все на пленку в виде
кадров, каждый из которых повторял наполнение вращающихся секторов. В
журнале "Радио" был приведен рисунок, по которому мною была сделана
флеш-презентация, показанная на рисунке 7.
Этот
вариант полностью повторяет иллюстрацию из журнала, но в деле он
оказался не совсем подходящим, потому как там были изображены границы
кадров — на диске такого нет (разделения секторов линиями).
В
общем, было сделано некоторое улучшение — собственный вариант (рисунок
8), который более отчетливо дает красный/синий/зеленый. Что тогда ученые
и получили на самом деле.
Таким образом, имея уже готовую связку
из RGB, причем сделанную только на основе ч/б изображения, можно было
отталкиваться. Но на самом деле работы предстояло еще очень много. Это
сегодня мы можем проделать такие опыты, введя несколько строк кода и
увидев результаты, а тогда подразумевалось использование пленок.
Следующим вопросом, конечно, стояла реализация их взаимодействия,
управления яркостью цветов. Самого описания принципа совмещения нет, но в
статье идет ссылка на то, что "как указывают и сами авторы, можно
передавать в цвете несложные статические изображения — заставки,
рекламные объявления, изготовленные особым образом мультфильмы…".
Следует
отметить и принципиальную разницу того, что мы приводим в рамках
флеш-презентаций, и опытных моделей ученых того времени, поскольку
немаловажным влияющим фактором у нас при просмотре на дисплее является
частота обновления экрана. То есть, да, вы можете увидеть цветовые
изменения, но даже диск Бенхэма в реальности, если собрать такую
игрушку, дает более насыщенные цвета и меньше стробоскопии. Но для
факта, который может кому-то показаться важным, все презентации со
стробоскопией в приведенных мною примерах делались с параметром fps
(частота обновления экрана) 60 Гц. И все работало достаточно достоверно.
Что интересно…
Экспериментировать
с созданием цветовых моделей могли еще в эпоху черно-белого кино.
Многие почему-то предполагают, что Бенхэм или англичане с австрийцами
нашли некие уникальные сочетания, но это не так. На 9-м рисунке
показано, как можно получить цветные фрагменты при быстром движении
полосы. А на 10-м — абсолютно взятый из головы случайный вариант с
крутящимся колесом. Все получается видимым.
То есть вы можете создавать собственные цветные коллажи и без привязки к математически выверенным линиям.
Несколько возможных объяснений увиденных эффектов
Мы
неспроста начали рассмотрение с системы с последовательной передачей
цветов и объяснением стробоскопического эффекта, при котором у человека
прерывистые световые вспышки начинают ассоциироваться с непрерывным
светом. Также вы можете взять следующий пример в качестве основы для
размышлений.
На
рисунке 11 показан пример программы с крутящимся цветным колесом
(белый, красный, зеленый и синий). Раскрутите колесо в ту или иную
сторону, пока не увидите большее количество цветов, кроме исходных.
Появится множество промежуточных вариантов, которые являются
результатами метамерии. Мозг обладает интегральными (суммирующими)
свойствами, в то время как скорость работы рецепторов, в данном случае
колбочек, идет с опережением самого анализа. Например, когда была
неприглядная ситуация с проекторами с цветным колесом, очень многие
жаловались на усталость глаз. После просмотра фильма в кино (а кино —
это классический пример стробоскопического эффекта) не рекомендуется
сразу садиться за руль автомобиля. И то, что нам кажется в рамках
стробоскопических эффектов непрерывным, на самом деле связано только со
скоростью восприятия.
И пусть вы быстро водите ярким угольком на
фоне темного неба, играетесь лучом фонарика, рисуя линии, либо крутите
трехцветное колесо из предыдущего примера — все сводится к тому, что
мозг (или наше восприятие) суммирует сразу несколько последовательных
событий в одно. Но одним суммированием все представленное выше объяснить
нельзя. Конечно, можно сказать, что эффект колеса Бенхэма — это просто
ошибка восприятия:), как это многие и делают, но тут есть еще несколько
интересных моментов, приоткрывающих завесу.
Например, как быть с
англо-австрийским вариантом, когда колесо, вращаясь в одну сторону, дает
синий, а в другую — красный? А есть ли какой- нибудь подобный эффект,
уже описанный ранее? Конечно! И даже известно кем — Иоганном Кристианом
Андреасом Доплером (до сих пор непонятно, почему фамилию Doppler
по-русски пишут с одним "п", но это уже другой эффект — перевода). Но
это точка зрения вашего покорного слуги.
Ведь в Интернете вы
можете найти еще ряд объяснений, причем достаточно давних, одно из них
заключается в том, что происходит определенного рода расстройство,
схожее по принципам воздействия некоторых сильнодействующих
наркотических средств. Но со звездами астрономы наблюдают нечто схожее, и
нет большой уверенности в том, что все они сидят на ЛСД:).
Вообще
в физике, как и в физиологии, есть множество белых пятен и нестыковок.
На современного обывателя наваливается сразу несколько точек зрения на
один и тот же процесс, и некоторые из этих точек зрения являются априори
устаревшими. В школе свет проходят одновременно и как волновое, и как
квантовое явление. Если уже говорить прямо, то и геометрию делят на
"обычную" и "неевклидову". Очень много неизвестного часто объясняют
просто искривлением пространства или искривлением времени. То есть в
науке есть еще много нераскрытого, возможно, ломающего современные
представления.
Сам эффект колеса Бенхэма настолько интересен, что вы и сами можете попытаться найти ему свое собственное объяснение.
Успехов!
Примечание:
Для тех, кто будет программировать в Flash, но не совсем освоил
ActionScript и основные технологии этой среды, укажем следующее: 1. Нарисованный диск можно сгруппировать и сделать из него единый элемент MovieClip (выделяем мышью -> F8 -> MovieClip). 2. Для поворота нашего MovieClip'а в коде используем свойство rotate, в котором указывается угол поворота в градусах. 3.
Для временных циклических событий можно использовать два метода:
onEnterFrame (обновление каждого кадра) либо setInterval (счетчик,
который вызывает определенную функцию через указанный интервал времени).