Эффект Эбни или эффект чистоты оттенка — это воспринимаемое изменение оттенка , которое происходит при добавлении белого света к монохроматическому источнику света. [1] [2]
Добавление белого света вызовет обесцвечивание монохроматического источника, как это воспринимается человеком-наблюдателем. Однако менее интуитивным эффектом воспринимаемого добавления белого света является изменение видимого оттенка . Это изменение оттенка имеет скорее физиологическую, чем физическую природу.
Это изменение оттенка в результате добавления белого света было впервые описано английским химиком и физиком сэром Уильямом де Вивелсли Эбни в 1909 году, хотя обычно указывается дата 1910 года. Источник белого света может быть создан путем комбинации красного, синего и зеленого света. Эбни продемонстрировал, что причиной видимого изменения оттенка был красный и зеленый свет, которые составляли этот источник света, и что синий компонент света не вносил никакого вклада в эффект Эбни. [3]
Диаграммы цветности — это двумерные диаграммы, которые отображают проекцию цветового пространства XYZ Международной комиссии по освещению (CIE) на плоскость (x, y). Значения X, Y, Z (или трехцветные значения ) просто используются в качестве весов для создания новых цветов из основных цветов, во многом так же, как RGB используется для создания цветов из основных цветов в телевизорах или фотографиях. Значения x и y, используемые для создания диаграммы цветности, создаются из значений XYZ путем деления X и Y на сумму X, Y, Z. Значения цветности, которые затем могут быть нанесены на график, зависят от двух значений: доминирующей длины волны и насыщенности. Поскольку световая энергия не включена, цвета, которые отличаются только своей светлотой , не различаются на диаграмме. Например, коричневый, который является просто оранжевым с низкой яркостью (и часто ненасыщенным), не будет отображаться как таковой. [4]
Эффект Эбни можно проиллюстрировать и на диаграммах цветности. Если добавить белый свет к монохроматическому свету, то на диаграмме цветности получится прямая линия. Мы могли бы представить, что цвета вдоль такой линии воспринимаются как имеющие один и тот же оттенок. В действительности это не так, и воспринимается сдвиг оттенка. Соответственно, если мы нанесем на график цвета, которые воспринимаются как имеющие один и тот же оттенок (и различающиеся только по чистоте), то получим кривую линию. [ которая? ]
В диаграммах цветности линия, которая имеет постоянный воспринимаемый оттенок, должна быть изогнутой, чтобы эффект Эбни учитывался. [5] Диаграммы цветности, которые были скорректированы для эффекта Эбни, поэтому являются прекрасными иллюстрациями нелинейной [ необходимо разъяснение ] природы зрительной системы. [6] Кроме того, эффект Эбни не запрещает любые и все прямые линии на диаграммах цветности. Можно смешать два монохроматических света [ какие? ] и не увидеть сдвига оттенка, тем самым предполагая, что прямолинейный график для различных уровней смешивания был бы уместен на диаграмме цветности. [7]
Модель процесса оппонента зрительной системы состоит из двух хроматических нейронных каналов и одного ахроматического нейронного канала. [8] Хроматические каналы состоят из красно-зеленого канала и желто-синего канала и передают цветовую информацию. Ахроматический канал отвечает за яркость или различение белого и черного. Оттенок и насыщенность воспринимаются из-за различного количества активности в этих нейронных каналах, состоящих из аксонных путей от ганглиозных клеток сетчатки . [8] Эти три канала тесно связаны со временем реакции в ответ на цвета. Ахроматический нейронный канал имеет более быстрое время реакции, чем хроматические нейронные каналы в большинстве условий. Функции этих каналов зависят от задачи. Некоторые виды деятельности зависят от одного или другого канала, в то время как другие зависят от обоих каналов. Когда цветной стимул суммируется с белым стимулом, активируются как хроматический, так и ахроматический каналы. Ахроматический канал будет иметь немного замедленное время реакции, так как он должен подстраиваться под различную яркость; Однако, несмотря на эту задержку реакции, скорость ахроматического канала все равно будет выше, чем у хроматического канала. [5] В этих условиях суммированных стимулов величина сигнала, испускаемого ахроматическим каналом, будет сильнее, чем у хроматического канала. Сцепление более быстрого ответа с более высокой амплитудой от ахроматического канала означает, что время реакции, скорее всего, будет зависеть как от яркости, так и от уровней насыщенности стимулов. [5]
Привычные объяснения цветового зрения объясняют разницу в восприятии оттенков как элементарные ощущения, присущие физиологии наблюдателя. Однако никакие конкретные физиологические ограничения или теории не смогли объяснить реакцию на каждый уникальный оттенок. С этой целью было доказано, что как спектральная чувствительность наблюдателя , так и относительное количество типов колбочек не играют существенной роли в восприятии различных оттенков. [9] Возможно, окружающая среда играет большую роль в восприятии уникальных оттенков, чем различные физиологические особенности у разных людей. Это подтверждается тем фактом, что цветовые суждения могут меняться в зависимости от различий в цветовой среде в течение длительных периодов времени, но эти же хроматические и ахроматические суждения остаются постоянными, если цветовая среда одна и та же, несмотря на старение и другие индивидуальные физиологические факторы, влияющие на сетчатку. [10]
Подобно эффекту Безольда-Брюкке , эффект Эбни предполагает нелинейность между реакциями колбочек (LMS) на стадии восприятия оттенка. [11]
Насыщенность или степень бледности цвета связана с колориметрической чистотой. Уравнение для колориметрической чистоты: P = L /( L w + L ) . [12] В этом уравнении L равна яркости цветного светового стимула, L w — яркости белого светового стимула, который должен быть смешан с цветным светом. Приведенное выше уравнение является способом количественной оценки количества белого света, который смешивается с цветным светом. В случае чистого спектрального цвета , без добавления белого света, L равна единице, а L w равна нулю. Это означает, что колориметрическая чистота будет равна единице, и для любого случая, включающего добавление белого света, колориметрическая чистота или значение P , будет меньше единицы. Чистота спектрального цветового стимула может быть изменена путем добавления белого, черного или серого стимула. Однако эффект Эбни описывает изменение колориметрической чистоты при добавлении белого света. Чтобы определить влияние изменения чистоты на воспринимаемый оттенок, важно, чтобы чистота была единственной переменной в эксперименте; яркость должна оставаться постоянной.
Термин «различение оттенков» используется для описания изменения длины волны, которое должно быть получено для того, чтобы глаз мог обнаружить изменение оттенка. Выражение λ + Δλ определяет требуемую корректировку длины волны, которая должна иметь место. [12] Небольшое (< 2 нм ) изменение длины волны заставляет большинство спектральных цветов казаться приобретающими другой оттенок. Однако для синего и красного света должно произойти гораздо большее смещение длины волны, чтобы человек мог определить разницу в оттенке.
Оригинальная статья, описывающая эффект Эбни, была опубликована сэром Уильямом де Вивелсли Эбни в Трудах Лондонского королевского общества, серия A, в декабре 1909 года. [3] Он решил провести количественное исследование после того, как обнаружил, что визуальные наблюдения цвета не соответствуют доминирующим цветам, полученным фотографическим путем при использовании моделей флуоресценции.
Цветоизмерительный аппарат, обычно используемый в экспериментах в 1900-х годах, использовался в сочетании с частично посеребренными зеркалами для разделения одного луча света на два луча. [13] Это приводило к получению двух параллельных друг другу лучей света одинаковой интенсивности и цвета. Лучи света проецировались на белый фон, создавая пятна света, которые представляли собой квадраты размером 1,25 дюйма (32 мм). Белый свет добавлялся к одному из пятен цветного света, пятну справа. На пути двух лучей был вставлен стержень, чтобы не было пространства между цветными поверхностями. Дополнительный стержень использовался для создания тени, где белый свет рассеивался на пятне, которое не должно было получать добавления белого света (пятно слева). Количество добавленного белого света определялось как половина яркости цветного света. Например, источник красного света имел больше добавленного белого света, чем источник желтого света. Он начал использовать два пятна красного света, и фактически добавление белого света к пятну света справа вызвало более желтый тон, чем чистый красный источник света. Те же результаты были получены, когда экспериментальный источник света был оранжевым. Когда источник света был зеленым, добавление белого света заставило пятно стать желто-зеленым. Впоследствии, когда белый свет был добавлен к желто-зеленому свету, пятно света выглядело в основном желтым. В смеси сине-зеленого света (с немного более высоким процентом синего) с белым светом, синий, казалось, приобрел красноватый оттенок. В случае фиолетового источника света добавление белого света заставило фиолетовый свет приобрести синий оттенок. [3]
Эбни предположил, что произошедшее изменение оттенка было вызвано добавлением красного и зеленого света, которые были компонентами белого света. Он также считал, что синий свет, который также составляет белый световой луч, был незначительным фактором, который не оказывал никакого влияния на кажущееся изменение оттенка. Эбни смог экспериментально доказать свою гипотезу, сопоставив свои экспериментальные значения процентного состава и яркости красных, зеленых и синих ощущений с расчетными значениями почти точно. Он исследовал процентный состав и яркость, обнаруженные в различных спектральных цветах, а также источник белого света, который был добавлен. [3]
В то время как нелинейность нейронного цветового кодирования, о чем свидетельствует классическое понимание эффекта Эбни и его использование белого света для определенных длин волн света, была тщательно изучена в прошлом, новый метод был предпринят исследователями из Университета Невады. [10] Вместо того, чтобы добавлять белый свет к монохроматическому свету, варьировалась полоса пропускания спектра. Это изменение полосы пропускания было напрямую нацелено на три класса колбочковых рецепторов как средство идентификации любых сдвигов оттенка, воспринимаемых человеческим глазом. [14] Общей целью исследования было определить, был ли внешний вид цвета затронут фильтрующими эффектами спектральной чувствительности глаза. Эксперименты показали, что соотношения колбочек, сигнализирующих об оттенке, были скорректированы таким образом, чтобы создать постоянный оттенок, который соответствовал центральной длине волны источника света. Кроме того, проведенные эксперименты по существу показали, что эффект Эбни не сохраняется для всех изменений чистоты света, но в значительной степени ограничен определенными способами ухудшения чистоты, а именно добавлением белого света. Поскольку проведенные эксперименты варьировали полосу пропускания света, аналогичные, хотя и разные способы изменения чистоты и, следовательно, оттенка монохроматического света, нелинейность результатов отображалась иначе, чем то, что традиционно наблюдалось. В конечном итоге исследователи пришли к выводу, что изменения в спектральной полосе пропускания заставляют пострецепторные механизмы компенсировать фильтрующие эффекты, налагаемые чувствительностью колбочек и преретинальным поглощением, и что эффект Эбни возникает из-за того, что глаз, в некотором смысле, был обманут, заставив увидеть цвет, который не возник бы естественным образом, и поэтому должен аппроксимировать цвет. Это приближение для компенсации эффекта Эбни является прямой функцией возбуждений колбочек, испытываемых при широкополосном спектре. [10]
Патент на цветной принтер, который, как утверждается, компенсирует эффект Эбни, был опубликован в 1995 году. [15]
Эффект Эбни должен быть принят во внимание при проектировании кабины для современных истребителей. Цвета, видимые на экране, становятся ненасыщенными, когда белый свет падает на экран, поэтому принимаются специальные меры для противодействия эффекту Эбни. [5]
Существует широкий спектр спектральных цветов, которые можно сделать точно соответствующими чистому цвету, добавляя различные уровни белого света. [16]
Остается неизвестным, является ли эффект Эбни случайным явлением, возникающим при восприятии цвета, или же он играет преднамеренную функцию в способе кодирования цвета глазом.
Эффект Эбни редко описывается известными моделями внешнего вида цвета. Из многих моделей, рассмотренных Фэрчайлдом в Color Appearance Models (3-е изд.), только модели Ханта и ATD предсказывают эффект Эбни. [17]