stringtranslate.com

Постоянство цвета

Постоянство цвета: цвета воздушного шара остаются одинаковыми и на солнце, и в тени.
Пример эффекта Лэнда. Постоянство цвета заставляет изображение выше казаться имеющим красные, зеленые и синие оттенки, особенно если это единственный источник света в темной комнате, даже если оно состоит только из светлых и темных оттенков красного и белого. (Нажмите, чтобы просмотреть изображение в полном размере для наиболее выраженного эффекта.)
Постоянство заставляет квадрат A казаться темнее квадрата B, хотя на самом деле они оба имеют одинаковый оттенок серого. См. иллюзию тени Checker .
Достижение постоянства яркости с помощью фильтрации Retinex для анализа изображений
На этих двух фотографиях вторая карточка слева кажется более насыщенного розового оттенка в верхней части, чем в нижней. На самом деле они одного цвета (поскольку имеют одинаковые значения RGB при белом свете), но на восприятие влияет цветовой оттенок окружающего фото.

Постоянство цвета является примером субъективного постоянства и особенностью системы восприятия цвета человеком , которая обеспечивает относительное постоянство воспринимаемого цвета объектов при различных условиях освещения. Например, зеленое яблоко кажется нам зеленым в полдень, когда основное освещение — белый солнечный свет, а также на закате, когда основное освещение — красный. Это помогает нам идентифицировать объекты.

История

Ибн аль-Хайтам дал раннее объяснение постоянства цвета, заметив, что свет, отраженный от объекта, изменяется в зависимости от цвета объекта. Он объяснил, что качество света и цвет объекта смешиваются, и зрительная система разделяет свет и цвет. Он пишет:

Опять же, свет не переходит от цветного объекта к глазу без сопровождения цветом, и форма цвета не переходит от цветного объекта к глазу без сопровождения светом. Ни форма света, ни форма цвета, существующие в цветном объекте, не могут перейти, кроме как смешанные вместе, и последнее чувствующее существо может воспринимать их только как смешанные вместе. Тем не менее, чувствующее существо воспринимает, что видимый объект светится и что свет, видимый в объекте, отличается от цвета, и что это два свойства. [1]

Монж (1789), Янг (1807), фон Гельмгольц (1867), Геринг (1920) и фон Крис (1902, 1905), а также последующие исследователи Хельсон и Джефферс (1940), Джадд (1940) и Лэнд и Макканн (1971) внесли значительный вклад в исследование постоянства цвета. Идея о том, что возникновение постоянства цвета было следствием бессознательного вывода (Джадд, 1940; фон Гельмгольц, 1867), и идея о том, что это было результатом сенсорной адаптации (Хельсон, 1943; Геринг, 1920), сосуществовали в течение значительной части этого времени. Чтобы прояснить природу суждений наблюдателей о постоянстве цвета, Аренд и Ривз (1986) провели первые систематические поведенческие эксперименты. Впоследствии появились новые модели постоянства цвета, физиологическая информация о корковых механизмах и фотографические колориметрические измерения природных сцен. [2]

Цветовое зрение

Цветовое зрение — это то, как мы воспринимаем объективный цвет, который люди, животные и машины способны различать на основе различных длин волн света, отраженного, переданного или испускаемого объектом. У людей свет обнаруживается глазом с помощью двух типов фоторецепторов, колбочек и палочек , которые посылают сигналы в зрительную кору , которая, в свою очередь, перерабатывает эти сигналы в субъективное восприятие. Постоянство цвета — это процесс, который позволяет мозгу распознавать знакомый объект как имеющий постоянный цвет независимо от количества или длин волн света, отражающегося от него в данный момент. [3] [4]

Освещенность объекта

Феномен постоянства цвета возникает, когда источник освещения неизвестен напрямую. [5] Именно по этой причине постоянство цвета оказывает большее влияние в солнечные дни с ясным небом, чем в пасмурные дни. [5] Даже когда солнце видно, постоянство цвета может влиять на восприятие цвета. Это происходит из-за незнания всех возможных источников освещения. Хотя объект может отражать в глаз несколько источников света, постоянство цвета заставляет объективные идентичности оставаться постоянными. [6]

DH Foster (2011) утверждает, что «в естественной среде сам источник может быть не очень хорошо определен, поскольку освещение в определенной точке сцены обычно представляет собой сложную смесь прямого и непрямого [света], распределенного по ряду углов падения, в свою очередь измененных локальной окклюзией и взаимным отражением, все из которых могут меняться со временем и положением». [5] Широкий спектр возможных освещенностей в естественной среде и ограниченная способность человеческого глаза воспринимать цвет означают, что постоянство цвета играет функциональную роль в повседневном восприятии. Постоянство цвета позволяет людям взаимодействовать с миром последовательным или достоверным образом [7] и позволяет более эффективно выносить суждения о времени суток. [6] [8]

Физиологическая основа

Физиологическая основа постоянства цвета, как полагают, включает специализированные нейроны в первичной зрительной коре , которые вычисляют локальные соотношения активности колбочек, что является тем же расчетом, который алгоритм ретинекса Лэнда использует для достижения постоянства цвета. Эти специализированные клетки называются двойными оппонентными клетками, потому что они вычисляют как цветовую, так и пространственную оппонентность. Двойные оппонентные клетки были впервые описаны Найджелом Доу в сетчатке золотой рыбки . [9] [10] Существовали значительные споры о существовании этих клеток в зрительной системе приматов; их существование в конечном итоге было доказано с помощью картирования рецептивных полей с обратной корреляцией и специальных стимулов, которые избирательно активируют отдельные классы колбочек за раз, так называемых стимулов «изолирующих колбочки». [11] [12] Данные визуализации человеческого мозга убедительно свидетельствуют о том, что критический кортикальный локус для генерации постоянства цвета находится в кортикальной области V4, [13] повреждение которой приводит к синдрому церебральной ахроматопсии .

Постоянство цвета работает только в том случае, если падающее освещение содержит диапазон длин волн. Различные колбочки глаза регистрируют различные , но перекрывающиеся диапазоны длин волн света, отраженного каждым объектом в сцене. Из этой информации зрительная система пытается определить приблизительный состав освещающего света. Затем это освещение не учитывается [14] , чтобы получить «истинный цвет» объекта или отражательную способность : длины волн света, которые отражает объект. Эта отражательная способность затем в значительной степени определяет воспринимаемый цвет.

Нервный механизм

Существует два возможных механизма постоянства цвета. Первый механизм — бессознательный вывод. [15] Согласно второй точке зрения, это явление вызвано сенсорной адаптацией. [16] [17] Исследования предполагают, что постоянство цвета связано с изменениями в клетках сетчатки , а также в корковых областях, связанных со зрением. [18] [19] [20] Это явление, скорее всего, связано с изменениями на различных уровнях зрительной системы. [5]

Адаптация конуса

Колбочки, специализированные клетки сетчатки, будут подстраиваться под уровень освещенности в локальной среде. [20] Это происходит на уровне отдельных нейронов. [21] Однако эта адаптация неполная. [5] Хроматическая адаптация также регулируется процессами в мозге. Исследования на обезьянах показывают, что изменения хроматической чувствительности коррелируют с активностью в парвоцеллюлярных латеральных коленчатых нейронах. [22] [23] Постоянство цвета может быть связано как с локализованными изменениями в отдельных клетках сетчатки, так и с нейронными процессами более высокого уровня в мозге. [21]

Метамерия

Метамерия, восприятие цветов в двух отдельных сценах, может помочь в исследовании постоянства цвета. [24] [25] Исследования показывают, что при предъявлении конкурирующих хроматических стимулов пространственные сравнения должны быть завершены на ранней стадии в зрительной системе. Например, когда субъектам предъявляются стимулы дихоптическим образом , массив цветов и пустой цвет, такой как серый, и им говорят сосредоточиться на определенном цвете массива, пустой цвет кажется другим, чем при восприятии бинокулярным способом. [26] Это означает, что цветовые суждения, поскольку они связаны с пространственными сравнениями, должны быть завершены на уровне монокулярных нейронов V1 или до них. [26] [27] [28] Если пространственные сравнения происходят позже в зрительной системе, например, в корковой области V4, мозг сможет воспринимать как цвет, так и пустой цвет, как если бы они были видны бинокулярным способом.

Теория ретинекса

«Эффект Лэнда» — это способность видеть полноцветные изображения исключительно путем просмотра наложенных друг на друга изображений черно-белых прозрачных пленок одной и той же сцены, одна из которых взята через красный фильтр, а другая — через зеленый фильтр, и освещена красным и белым светом соответственно (или даже двумя разными длинами волн желтого цвета). Эффект был обнаружен Эдвином Х. Лэндом , который пытался реконструировать ранние эксперименты Джеймса Клерка Максвелла с полноцветными изображениями. Лэнд увидел, что даже когда наложенные изображения освещались только желтым светом, зрительная система все равно воспринимала полный (хотя и приглушенный) диапазон цветов. Лэнд описал этот эффект в статье 1959 года в Scientific American . [29] , [4] В 1977 году Лэнд написал еще одну статью в Scientific American , в которой описал обобщенный эффект Лэнда, что привело к формулировке его «Теории ретинекса», чтобы объяснить то, что, по его мнению, было основной основой цветового зрения человека. [30] Слово «ретинекс» представляет собой сочетание слов « ретина » и « кора », что предполагает, что в обработке участвуют как глаз, так и мозг.

Обобщенный эффект Лэнда можно экспериментально продемонстрировать следующим образом. Человеку показывают дисплей, называемый «Мондриан» (в честь Пита Мондриана, чьи картины похожи), состоящий из множества цветных пятен. Дисплей освещается тремя белыми лампами, одна из которых проецируется через красный фильтр, другая — через зеленый фильтр, а третья — через синий фильтр. Человека просят отрегулировать интенсивность света так, чтобы определенная область на дисплее казалась белой. Затем экспериментатор измеряет интенсивность красного, зеленого и синего света, отраженного от этой белой области. Затем экспериментатор просит человека определить цвет соседней области, которая, например, кажется зеленой. Затем экспериментатор настраивает освещение так, чтобы интенсивность красного, синего и зеленого света, отраженного от зеленой области, была такой же, как изначально измеренная от белой области. Человек демонстрирует постоянство цвета, при этом зеленая область продолжает казаться зеленой, белая область продолжает казаться белой, а все остальные области продолжают иметь свои исходные цвета.

Лэнд, совместно с Джоном Макканном, также разработал компьютерную программу, предназначенную для имитации процессов ретинекса, которые, как считается, происходят в физиологии человека. [31] Постоянство цвета является желательной характеристикой компьютерного зрения , и для этой цели было разработано множество алгоритмов. К ним относятся несколько алгоритмов ретинекса. [32] [33] [34] [35] Эти алгоритмы получают в качестве входных данных значения красного/зеленого/синего каждого пикселя изображения и пытаются оценить отражательную способность каждой точки. Один из таких алгоритмов работает следующим образом: определяется максимальное значение красного r max всех пикселей, а также максимальное значение зеленого g max и максимальное значение синего b max . Предполагая, что сцена содержит объекты, которые отражают весь красный свет, и (другие) объекты, которые отражают весь зеленый свет, и еще другие, которые отражают весь синий свет, можно сделать вывод, что источник света, освещающий изображение, описывается как ( r max , g max , b max ). Для каждого пикселя со значениями ( r , g , b ) его отражательная способность оценивается как ( r / r max , g / g max , b / b max ). Оригинальный алгоритм Retinex, предложенный Лэндом и Макканном, использует локализованную версию этого принципа. [36] [37]

Хотя модели Retinex по-прежнему широко используются в компьютерном зрении, было показано, что реальное восприятие цвета человеком является более сложным. [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Будриуа, Аззедин; Рашед, Рошди; Лакшминараянан, Васудеван (2017). Наука, основанная на свете: технологии и устойчивое развитие, наследие Ибн аль-Хайтама. CRC Press. ISBN 978-1-4987-7940-1.
  2. ^ Фостер, Дэвид Х. (13 апреля 2011 г.). «Цветовое постоянство». Vision Research . Vision Research 50th Anniversary Issue: Part 1. 51 (7): 674–700. doi :10.1016/j.visres.2010.09.006. ISSN  0042-6989. PMID  20849875. S2CID  1399339.
  3. ^ Кранц, Джон (2009). Ощущение ощущения и восприятия (PDF) . Pearson Education, Limited. стр. 9.9–9.10. ISBN 978-0-13-097793-9. Архивировано из оригинала (PDF) 17 ноября 2017 г. . Получено 23 января 2012 г. .
  4. ^ ab "Венди Карлос ColorVision1".
  5. ^ abcde Фостер, Дэвид Х. (2011). «Цветовое постоянство». Vision Research . 51 (7): 674–700. doi : 10.1016/j.visres.2010.09.006 . PMID  20849875. S2CID  1399339.
  6. ^ ab Jameson, D.; Hurvich, LM (1989). «Эссе о постоянстве цвета». Annual Review of Psychology . 40 : 1–22. doi :10.1146/annurev.psych.40.1.1. PMID  2648972.
  7. ^ Зеки, С. (1993). Видение мозга . Оксфорд: Blackwell Science Ltd.[ ISBN отсутствует ] [ нужна страница ]
  8. ^ Ривз, А. (1992). «Области невежества и путаницы в науке о цвете». Поведенческие и мозговые науки . 15 : 49–50. doi : 10.1017/s0140525x00067510. S2CID  146841846.
  9. ^ Доу, Найджел В. (17 ноября 1967 г.). «Сетчатка золотой рыбки: организация одновременного цветового контраста». Science . 158 (3803): 942–944. Bibcode :1967Sci...158..942D. doi :10.1126/science.158.3803.942. PMID  6054169. S2CID  1108881.
  10. ^ Бевил Р. Конвей (2002). Нейронные механизмы цветового зрения: двойные оппонентные клетки в зрительной коре. Springer. ISBN 978-1-4020-7092-1.
  11. ^ Conway, BR; Livingstone, MS (2006). «Пространственные и временные свойства сигналов колбочек в первичной зрительной коре бодрствующей макаки (V1)». Журнал нейронауки . 26 (42): 10826–10846. doi :10.1523/jneurosci.2091-06.2006. PMC 2963176. PMID  17050721 . [иллюстрация на обложке].
  12. ^ Conway, BR (2001). «Пространственная структура входов колбочек в цветовые клетки в первичной зрительной коре бодрствующей макаки (V-1)». Журнал нейронауки . 21 (8): 2768–2783. doi :10.1523/JNEUROSCI.21-08-02768.2001. PMC 6762533. PMID  11306629 . [иллюстрация на обложке].
  13. ^ Бартельс, А.; Зеки, С. (2000). «Архитектура цветового центра в зрительном мозге человека: новые результаты и обзор *». European Journal of Neuroscience . 12 (1): 172–193. doi :10.1046/j.1460-9568.2000.00905.x. ISSN  1460-9568. PMID  10651872. S2CID  6787155.
  14. ^ «Дисконтирование источника света» — термин, введенный Гельмгольцем : McCann, John J. (март 2005 г.). «Дисконтируют ли люди источник света?». В Bernice E. Rogowitz; Thrasyvoulos N. Pappas; Scott J. Daly (ред.). Труды SPIE . Human Vision and Electronic Imaging X. Vol. 5666. pp. 9–16. doi :10.1117/12.594383.
  15. ^ Джадд, ДБ (1940). «Насыщенность оттенка и яркость цветов поверхности при хроматическом освещении». Журнал оптического общества Америки . 30 (1): 2–32. Bibcode : 1940JOSA...30....2J. doi : 10.1364/JOSA.30.000002.
  16. ^ Helson, H (1943). «Некоторые факторы и последствия постоянства цвета». Журнал оптического общества Америки . 33 (10): 555–567. Bibcode : 1943JOSA...33..555H. doi : 10.1364/josa.33.000555.
  17. ^ Геринг, Э. (1964) [1920]. Grundzüge der Lehre vom Lichtsinn [ Очерки теории светочувствия ]. Перевод Гурвича, Л.М.; Джеймсон, Д. Берлин: Springer.
  18. ^ Zeki, S (1980). «Представление цветов в коре головного мозга». Nature . 284 (5755): 412–418. Bibcode :1980Natur.284..412Z. doi :10.1038/284412a0. PMID  6767195. S2CID  4310049.
  19. ^ Zeki, S (1983). «Цветовое кодирование в коре головного мозга: реакция клеток зрительной коры обезьян на длины волн и цвета». Neuroscience . 9 (4): 741–765. doi :10.1016/0306-4522(83)90265-8. PMID  6621877. S2CID  21352625.
  20. ^ ab Hood, DC (1998). «Низкоуровневая визуальная обработка и модели адаптации к свету». Annual Review of Psychology . 49 : 503–535. doi : 10.1146/annurev.psych.49.1.503. PMID  9496631. S2CID  12490019.
  21. ^ ab Lee, BB; Dacey, DM; Smith, VC; Pokorny, J. (1999). «Горизонтальные клетки выявляют специфическую для колбочек адаптацию в сетчатке приматов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (25): 14611–14616. Bibcode :1999PNAS...9614611L. doi : 10.1073/pnas.96.25.14611 . PMC 24484 . PMID  10588753. 
  22. ^ Крейтцфельдт, О.Д.; Крук, Дж.М.; Кастнер, С.; Ли, Ч.-Й.; Пей, Х. (1991). «Нейрофизиологические корреляты цветового и яркостного контраста в нейронах латерального коленчатого тела: 1. Анализ популяции». Experimental Brain Research . 87 (1): 3–21. doi :10.1007/bf00228503. PMID  1756832. S2CID  1363735.
  23. ^ Крейтцфельдт, О.Д.; Кастнер, С.; Пей, Х.; Вальберг, А. (1991). «Нейрофизиологические корреляты цветового и яркостного контраста в нейронах латерального коленчатого тела: II. Адаптация и эффекты окружения». Experimental Brain Research . 87 (1): 22–45. doi :10.1007/bf00228504. PMID  1756829. S2CID  75794.
  24. ^ Кальдерон, Марк Эли (2008). «Метамерия, постоянство и знание того, что» (PDF) . Mind . 117 (468): 935–971. doi :10.1093/mind/fzn043. JSTOR  20532701.
  25. ^ Gupte, Vilas (1 декабря 2009 г.). «Color Constancy, by Marc Ebner (Wiley; 2007) pp 394 ISBN 978-0-470-05829-9 (HB)». Coloration Technology . 125 (6): 366–367. doi :10.1111/j.1478-4408.2009.00219.x. ISSN  1478-4408.
  26. ^ ab Moutoussis, K.; Zeki, S. (2000). «Психофизическое вскрытие участков мозга, участвующих в сравнениях, генерирующих цвет». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (14): 8069–8074. Bibcode : 2000PNAS...97.8069M. doi : 10.1073 /pnas.110570897 . PMC 16671. PMID  10859348. 
  27. ^ Hurlbert, AC; Bramwell, DI; Heywood, C.; Cowey, A. (1998). «Распознавание изменений контрастности колбочек как доказательство постоянства цвета при церебральной ахроматопсии». Experimental Brain Research . 123 (1–2): 136–144. doi :10.1007/s002210050554. PMID  9835402. S2CID  1645601.
  28. ^ Кентридж, РВ; Хейвуд, Калифорния; Коуи, А. (2004). «Хроматические края, поверхности и константы при церебральной ахроматопсии». Neuropsychologia . 42 (6): 821–830. doi :10.1016/j.neuropsychologia.2003.11.002. PMID  15037060. S2CID  16183218.
  29. ^ Лэнд, Эдвин (май 1959). «Эксперименты по цветовому зрению» (PDF) . Scientific American . 200 (5): 84–94 passim. Bibcode :1959SciAm.200e..84L. doi :10.1038/scientificamerican0559-84. PMID  13646648.
  30. ↑ Лэнд, Эдвин (декабрь 1977 г.). «Теория цветового зрения с помощью ретинекса». Scientific American . 237 (6): 108–128. Bibcode : 1977SciAm.237f.108L. doi : 10.1038/scientificamerican1277-108. JSTOR  24953876. PMID  929159. Архивировано из оригинала 11 марта 2024 г.
  31. ^ Дж. Макканн, С. П. Макки и Т. Тейлор, «Количественные исследования в теории ретинекса, сравнение теоретических предсказаний и реакций наблюдателей на эксперименты с цветным Мондрианом», Vision Res. 16 : 445–458, (1976)
  32. ^ Морель, Жан-Мишель; Петро, ​​Ана Б.; Сберт, Каталина (2009). Эшбах, Райнер; Марку, Габриэль Дж; Томинага, Сёдзи; Рицци, Алессандро (ред.). «Быстрая реализация алгоритмов постоянства цвета». Цветное изображение XIV: отображение, обработка, печатная копия и приложения . 7241 : 724106. Бибкод : 2009SPIE.7241E..06M. CiteSeerX 10.1.1.550.4746 . дои : 10.1117/12.805474. S2CID  19950750. 
  33. ^ Киммел, Р.; Элад, М.; Шакед, Д.; Кешет, Р.; Собель, И. (2003). "Вариационная структура для Retinex" (PDF) . Международный журнал компьютерного зрения . 52 (1): 7–23. doi :10.1023/A:1022314423998. S2CID  14479403.
  34. ^ Патент США 20040059754A1, Баргхаут, Лорен и Лоуренс Ли, «Система обработки перцептивной информации» 
  35. ^ Barghout, Lauren (2014). "Визуальный таксометрический подход к сегментации изображений с использованием нечетко-пространственного таксонного среза дает контекстно-релевантные регионы". Обработка информации и управление неопределенностью в системах, основанных на знаниях . Коммуникации в области компьютерных и информационных наук. Т. 443. Cham: Springer International Publishing. С. 163–173. doi :10.1007/978-3-319-08855-6_17. ISBN 978-3-319-08854-9. ISSN  1865-0929.
  36. ^ Провенци, Эдоардо; Де Карли, Лука; Рицци, Алессандро; Марини, Даниэле (2005). «Математическое определение и анализ алгоритма Retinex». ЖОСА А. 22 (12): 2613–2621. Бибкод : 2005JOSAA..22.2613P. дои : 10.1364/josaa.22.002613. ПМИД  16396021.
  37. ^ Бертальмио, Марсело; Касельес, Висент; Провенци, Эдоардо (2009). «Проблемы теории ретинекса и повышения контрастности». Международный журнал компьютерного зрения . 83 : 101–119. дои : 10.1007/s11263-009-0221-5. S2CID  4613179.
  38. ^ Hurlbert, Anya C.; Wolf, Christopher JL (3 июня 2002 г.). Rogowitz, Bernice E.; Pappas, Thrasyvoulos N. (ред.). Вклад локальных и глобальных колбочковых контрастов в восприятие цвета: модель, подобная Retinex . Зрение человека и электронная визуализация VII. Том 4662. SPIE. стр. 286–297. doi :10.1117/12.469525. ISSN  0277-786X.
  39. ^ Рибе, Н.; Штайнле, Ф. (2002). «Исследовательский эксперимент: Гёте, Земля и теория цвета». Physics Today . 55 (7): 43. Bibcode : 2002PhT....55g..43R. doi : 10.1063/1.1506750 .

Ретинекс

Здесь «Перепечатано в McCann» относится к McCann, M., ред. 1993. Эссе Эдвина Х. Лэнда . Спрингфилд, Вирджиния: Общество по науке и технологии визуализации.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Постоянство цвета .