A színlátás kvalitatív magyarázata

A fény hullámhossz szerinti eloszlását a maga teljességében a tárgyszínképehatározza meg, amit a3. fejezetben bevezetettspektrális sugárs˝ur˝uségfogalmával azonosítunk. (Lásd (3.10) egyenlet.)

A színkép tehát megmutatja, milyen hullámhosszak közelében szállít sok vagy kevés energiát a szemünket ér˝o fény. Ez nagyon sok adatot jelent, hisz a színkép egyl(λ)függvény, ami elvileg végtelen sok számmal adható csak meg. A színkép bizonyos fokú érzékelése fontos volt az ember ˝oseinek túlélése szempontjából, de látóterünk sok pontjában egy teljes, folytonos függvény érzékelése és annak feldolgozása aránytalanul nagy érzékel˝o- és értelmez˝o kapacitást igényelne, ezért egy egyszer˝ubb, de a színképr˝ol némi információt megtartó megoldás alakult ki: háromféle csapunk van, melyek spektrális érzékenységi függvényeeltér, és agyunk csak ezek jeleit kapja meg, azaz azt, hogy a három érzékenységi függvénynek megfelel˝o hullámhossztartományokban mennyire er˝os a sugárzás.

Egyszer˝u példaként a 17.1. ábrán bemutatjuk három hétköznapi tárgy, a paradicsom, a saláta és a vaj vissza-verési tényez˝ojét a hullámhossz függvényében. (Adatok forrása: [11]) Ez egyben a tárgyak színképe is, ha fénnyel világítjuk meg ˝oket.

17.1. ábra. Három hétköznapi tárgy visszaverési tényez˝oje a hullámhossz függvényében.

Az emberi látás e három, eltér˝o érzékenység˝u csaptípusra való támaszkodása, un.trikromatikusjellege az elvben csak végtelen sok számadattal megadható színkép helyett egy három elem˝u jelvektort eredményez, ami jó

középút: némi információ megmaradt a színképr˝ol (a 3 tartomány melyikében mennyire er˝os a sugárzás), de az adatmennyiség jelent˝osen redukálódott. Ez a redukció tehát feldolgozási szempontból kedvez˝o, de nyil-vánvalóan információt veszítünk, ezért biztos, hogy teljesen különböz˝o színképek esetén is kialakulhat azonos színérzet.

E folyamatot szemléltetjük a 17.2. ábrán: a folytonos sötét grafikon mutatja a színképet, amit ha összevetünk a három színérzékenységi függvénnyel (kék, zöld, piros grafikonok), érezhet˝oen különböz˝o mérték˝u hason-lóságot látunk. Nyilvánvaló, hogy pirosra érzékenyebb érzékel˝oink fogják a legnagyobb ingerületet érezni, a kék-érzékeny pedig a legkisebbet.

17.2. ábra.A színérzet keletkezése a színképb˝ol; szemléltetés.

Igen sok állatfaj csak kétféle csappal rendelkezik, amit dikromatikus látásnak neveznek. Ezek az állatok az emberhez képest nagy hátrányban vannak pl. kusza növényzetben a ragadozó vagy a préda megpillantásában vagy abban, hogy távolról megállapítsák egy gyümölcsr˝ol, hogy érett-e, tehát megéri-e megszerzéséért energiát befektetni. A dikromatikus látás közelít˝o érzékeltetését mutatjuk be a17.3. ábrán. Itt egy színes eredeti képb˝ol az egyik színcsatornát (a zöldet) töröltük és a vörös értékeivel írtuk felül. Ezáltal az összes maradék szín a kék

és a sárga különböz˝o súlyú keverékéb˝ol áll össze, ami a teljes színvakságnál több információt ad, de érezhet˝oen kevésbé árnyalt, mint az eredeti, három színkomponenst kever˝o kép.

17.3. ábra. Dikromatikus látás közelít˝o szimulációja: a baloldali kép az eredeti, a jobb oldali kép azt szimulálja, mintha nem lenne különbség a vörös és zöld érzékel˝ok közt.

Az emberek 2-3%-a kétszínlátó. ˝Ok több területen hátrányban vannak a háromszín-látókhoz képest, bár vannak megfigyelések, mi szerint sok kétszínlátó ember érzékenyebb a finomabb, fényer˝oben bekövetkez˝o változások mintázatainak észlelésében. Másrészr˝ol az emberek egy igen kis részének négyféle csapja van, így az ˝o színérzékelésük sokkal kifinomultabb az átlagénál. ˝Ok egészen különböz˝onek láthatnak két tárgyat, amire a legtöbb ember azt mondja, hogy egyforma szín˝u.

Az eddig elmondottakból néhány egyszer˝u dolog számítások nélkül is következik:

• Sok különböz˝o színképhez tartozhat azonos színérzet.

• Ha két ember szemében a csapok eltér˝o érzékenységi függvény˝uek, akkor ˝ok azonos tárgyat eltér˝o szín˝unek láthatnak.

• Túl alacsony megvilágítás mellett a csapok nem m˝uködnek, csak a pálcikák, és mivel azokból csak egyféle van, nem látunk színeket.

17.3. Modellfeltevések

A következ˝okben a téma alaposabb megismerése és m˝uszaki gyakorlatban történ˝o alkalmazhatósága végett számításokkal is követjük a színlátás folyamatát. Könyvünk eddigi tárgyalásmódjának megfelel˝oen a fizikai folyamatok irányából próbáljuk megérteni a jelenségeket. Fontos megjegyezni, hogy a színelmélet megalapozásához többnyire más úton szokás eljutni: nem vizsgálva a bels˝o folyamatokat, megalapozhatók a színmér˝o rendszerek csupán kísérletekre, emberekkel végzet szín-egyeztetési vizsgálatokra alapozva.

A szemben, a retina rétegeiben zajló folyamatok meglehet˝osen összetettek, ezért azoknak csak egy egysze-r˝u modelljét vizsgáljuk terjedelmi okokból és azért, mert a színlátás alaptulajdonságainak megértése így is elvégezhet˝o. Aki az itt közölteknél részletesebben szeretne a színtannal megismerkedni, [5]-t és [7]-t ajánljuk olvasásra.

Modellünkben az érzékel˝ok Vi(λ) spektrális érzékenységi függvényeib˝ol (i = 1,2,3 a 3 csaptípusnak megfelel˝oen) indulunk ki, feltételezzük, hogy ezeket valaki megmérte. Az egyszer˝uség kedvéért ebbe a füg-gvénybe a teljes rendszer ered˝o érzékenységét beleérjük, tehát a szemgolyó minden részének és a fotorecep-toroknak együttes, ered˝o érzékenységét. Ez alapján kiszámolhatjuk, hogy egy adott l(λ) színkép esetén mi-lyen J_i idegrendszeri jelet generálnak sejtjeink és agyunk minden területr˝ol megkapja az ezekb˝ol képezhet˝o

„ingerület-vektort”, azaz(J₁,J₂,J₃)-t.

Ez a kép ott tartalmaz egyszer˝usítést, hogy egy adott csap csak az egyik típushoz tartozik, így egy érzékel˝o csak az egyik „színcsatornához” ad információt. A vizsgálatok szerint a színi információ a retina mélyebb rétegeiben a közeli csapok jelének kombinálásával áll el˝o, ez viszont egy összetett folyamat. A vizsgálatok kiderítették pl., hogy az agy felé nem közvetlen a csapjelek, hanem pl. az egyes jelek különbsége továbbítódik, és agyunk ebb˝ol rakja össze a színi információt.

Mégis, a csapok spektrális érzékenységi függvényéb˝ol és a csapjelek háromelem˝u vektorából kiinduló tárgyalás-móddal jól megérthet˝ok a színtan alaptényei és mi ezt az utat választjuk itt.

17.4. Alapegyenletek

Essenl(λ)színkép˝u fény egyi.típusú csapra. Ha a csap érzékenységi függvényeV_i(λ), akkor a bees˝o fénynek az adott csaptípuson létrehozott jeler˝ossége az alábbi módon írható fel:

J_i =m_i·

∞

Z

0

l(λ)V_i(λ)dλ. (17.1)

Itt m_i egy skálázási faktor, mely az adott körülmények közt a különféle érzékel˝ok „hatékonyságát” mérik. Az mi súlyfaktor nyilván egyenesen arányos a pupilla területével (Ap), az adott csaptípus retinán elfoglalt relatív területével (a_i) és a receptorok kémiai adaptáció miatt változó érzékenységével (p_i). Utóbbit15.3fejezetben ismertetett modell alapján az érzékel˝obeli rodopszin ill. fotopigment relatív koncentrációjával arányosnak ve-hetjük. Egyenlettel:

m_i =C·A_p·a_i·p_i, (17.2)

ahol C egy arányossági faktor, mely a fotometriai mennyiségek és a neuronokon men˝o jelet jellemz˝o er˝osség közti kapcsolatot adja meg. Ennek konkrét értéke nem érdekes számunkra, mert csak az ingerület-vektor kom-ponenseinek egymáshoz viszonyított értékét kell figyelni a színi információkhoz.

Látható, hogy a teljes leírás meglehet˝osen bonyolult, hisz pl. a környezet általános megvilágítása befolyásolja A_p-t, a_i változik a retina különböz˝o tartományaiban, p_i pedig a kémiai adaptáció miatt vesz fel más és más értéket az adott receptorra jutó retina-megvilágítás függvényében.

Ezért a szín-észlelési vizsgálatoknál mindig rögzíteni kell a környezet átlagos fénys˝ur˝uségét, meg kell várni, hogy a kémiai adaptáció felvegye az egyensúlyi állapotot (lásd15.3fejezet) és a pupillaméret is be tudjon állni az egyensúlyi szintre. A gyors átmenetekkor színészlelésünk is megváltozik, amire kés˝obb mutatunk példát.

Nemcsak a gyors átmenetek, hanem az igen er˝os megvilágítás is érdekes hatásokat okoz. Például igen ma-gas megvilágítás esetén a kémiai adaptáció miatt a 15.3. ábrán bemutatott telít˝odés következik be: növekv˝o megvilágítás már alig növeli tovább aJ értékét. Ez a 3 csaptípus közül az 1-es és 2-esnél korábban következik be, mint a 3-asnál, hisz azokból több van a szemünkben. Ezért magas megvilágítás mellett a vörös és zöld érzékelés egybefolyik egy közös „sárga” alapszínbe, amit csak a kékt˝ol tudunk megkülönböztetni. Nagy fény-er˝o mellett tehát kék-sárga dikromatikus látásunk lesz a receptorok telítési effektusa miatt.

A felsorolt elhanyagolások és egyszer˝usítések ellenére a legtöbb esetben (17.1) jó közelítéssel megadja, hogyan számolható ki aszínképb˝olaszínérzet.