Svetlo zrak a farebn videnie Prednka 9 19

Svetlo, zrak a farebné videnie Prednáška 9 19. 11. 2004

Anatómia oka V očiach človeka sú dva druhy svetlocitlivých buniek: tyčinky a čapíky. Na sietnici jedného oka sa nachádza približne 125 miliónov tyčiniek a asi 6 miliónov čapíkov. Formálne rozlišujeme dva druhy videnia a to: 1. denné (farebné či fotopické), ktoré prevláda pri silnom osvetlení – je sprostredkované čapíkmi 2. súmrakové (skotopické), pri ktorom rozlišujeme len modrošedivé odtiene - je sprostredkované tyčinkami. Obr. 3. Spektrálna citlivosť ľudského oka, Skotopické a fotopické videnie Obr. 1. 1 - rohovka, 2 – dúhovka, 3 – šošovka, 4 – vráskovec, 5 – bielko, 6 – spojovka, 7 – kruhový sval, 8 – sklovec, 9 – sietnica, 10 – cievovka, 11 – očné svaly, 12 – zrakový nerv Obr. 4. Distribúcia čapíkov a tyčiniek na sietnici oka Obr. 2. Tkanivá a štruktúra ľudskej rohovky Tyčinky a čapíky nie sú na sietnici oka rozmiestnené rovnomerne. Koncentrácia čapíkov stúpa smerom od okrajov sietnice smerom ku miestu, ktoré sa v anatómii nazýva žltá škvrna - fovea (v tomto mieste sa tyčinky prakticky nevyskytujú).

Svetlocitlivé bunky sietnice ľudského oka a ich pigmenty Tyčinky obsahujú pigment retinin - derivát vitamínu A. Ich koncentrácia stúpa smerom k okrajom sietnice. Sú zodpovedné za periférne videnie. Na vybudenie tyčinky postačuje už jediný fotón (na rozdiel od čapíkov, ktoré ich potrebujú desiatky až stovky), navyše signál z viacerých tyčiniek je vyvedený do jediného interneurónu, čo tento signál ešte zosilňuje. Dôsledkom konvergencie (zbiehavosti) tyčinkovýh signálov je tiež vysoká citlivosť na svetlo, ale aj zníženú ostrosť zraku v šere. Obr. 7. Schéma chemickej premeny vitamínu A na Retinín – pigment tyčiniek (zrakový purpur). Obr. 5. Prierez sietnicou ľudského oka Ľudské oko obsahuje tri typy na farbu citlivých fotoreceptorov - čapíkov. Dva z nich sú si navzájom veľmi podobné, ako geneticky a chemicky tak i citlivosťou na svetlo vyšších vlnových dĺžok (maximá citlivosti týchto pigmentov sú 534 nm – M typ a 564 nm - L typ). Pre tretí sa maximum citlivosti nachádza pri 420 nm – S typ. Obr. 8. Mikroskopický záber čapíkov Obr. 6. Sekvencia aminokyselín v jednotlivých typoch pigmentov farebného videnia Relatívne zastúpenie jednotlivých typov farebných fotoreceptorov rastie V prípade ak v oku chýba jeden alebo viac s vlnovou dĺžkou 2 % pre S, 34 % pre M a 64 % typov farbocitlivých fotoreceptorov dochádza pre L. k tzv. farbosleposti (asi 5% mužov a 0, 5% žien) V prírode sa nachádzajú živočíšne druhy, ktoré majú viac ako tri typy fotoreceptorov citlivých na farbu (niektoré vtáky, jaštery a ryby), prípadne menej (väčšina cicavcov). Jednotlivé typy čapíkov sa niekedy značujú aj podľa farieb, na ktoré sú maximálne citlivé, teda: L – červený; M – zelený; S – modrý Obr. 9. Spektrálne citlivosti jednotlivých pigmentov v čapíkoch (Short, Medium, Long) a tyčinkách (Rods)

Farba je zrakový vnem vyvolaný elektromagnetickým žiarením v intervale vlnových dĺžok zhruba od 400 nm do 750 nm. Obr. 10. Isaac Newton ako prvý dokázal, že biele slnečné svetlo je možné pomocou hranola rozdeliť na jednotlivé spektrálne farby a následne, takto získané spektrum pomocou hranola opäť spojiť, pričom opäť vzniká biele svetlo. Farba svetla je určená pomerom intenzít jednotlivých vlnových dĺžok v jeho spektre. Farba predmetu je daná chemickým zložením a fyzikálnymi vlastnosťami jeho povrchu, ktoré určujú , či a do akej mieri sa žiarenie danej vlnovej dĺžky bude absorbovať alebo odrážať, farba predmetu je teda farbou svetla odrazeného od jeho povrchu. Ak napríklad povrch predmetu absorbuje žiarenie všetkých vlnových dĺžok, predmet sa bude javiť ako čierny. Naopak, ak povrch predmetu odráža svetlo všetkých vlnových dĺžok, bude jeho farba rovnaká ako farba svetla, ktoré naň práve dopadá. Farba závisí od intenzity Farba predmetu však nezávisí len od vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla a vlastností jeho povrchu, ale aj od špecifických fyziologických vlastností oka. Ľudské oko je najcitlivejšie na žltozelenú farbu (555 nm), pri slabšom osvetlení sa však maximum citlivosti presúva smerom ku kratším vlnovým dĺžkam (modrošedivé tyčinkovité videnie. . . ). Pri obyčajnom dennom videní sa zdá byť modrá farba tmavšou ako červená, v šere je to naopak (Purkyňov efekt). Tento efekt môže ilustrovať naša skúsenosť pri pozorovaní nočnej oblohy. Nočná obloha sa nám javí ako čierna plocha posiata bielymi bodmi – hviezdam galaxiami. . . Pričom napríklad dobre vieme, že farba jednotlivých hviezd závisí od teploty jej povrchu – táto skúsenosť je dôsledkom faktu, že intenzita svetla, ktoré z hviezd dopadá na naše sietnice je príliš nízka na to, aby dokázala vzbudiť pigmenty farebného videnia v dostatočnej miere. Obr. 11. Rozklad svetla na hranole

Obr. 12. Snímka z Hubbleho vesmírneho teleskopu získaná po trojmesačnej expozícii zdanlivo tmavej časti oblohy.

Primárne aditívne a primárne substraktívne farby Svetlo ľubovoľnej farby môžeme získať skladaním troch primárnych farieb: červenej, zelenej a modrej. Tieto tri farby sa nazývajú primárnymi aditívnymi. Zložením svetiel týchto troch farieb v rovnakých pomeroch získame biele svetlo. Odfiltrovaním týchto troch farieb zo spektra slnečného bieleho svetla, získame postupne tri farby známe ako primárne substraktívne: modro-zelenú (Cyan), purpurovú (Magenta) a žltú (Yellow). Akúkoľvek farbu môžeme vytvoriť z troch rôznych farieb (Za splnenia podmienky, že žiadna z týchto farieb nevznikne ľubovoľnou kombináciou ostatných dvoch). V prípade ľudského videnia je osobitne výhodné použiť farby červenú, zelenú a modrú (Pigmenty ľudského oka sú osobitne citlivé na tieto farby - viď graf spektrálnej citlivosti pigmentov ľudského oka na druhej priesvitke) Miešanie farieb môžeme vyjadriť formou rovnice. (Zmiešaním troch primárnych farieb A, B, C v množstvách a, b a c vznikne farba X a zmiešaním troch primárnych farieb A, B, C v množstvách a´, b´ a c´ vznikne farba Y ) X = a. A+ b. B+ c. C (1) Obr. 13. Aditívne a substraktívne farby Obr. 14. Farebná tlač: Všetky farebné fotografie alebo obrázky môžu byť teoreticky vytlačené použitím troch farebných atramentov – purpurového, modrozeleného, žltého (primárne substraktívne farby) z praktických dôvodov sa však navyše pridáva aj čierny atrament (Pri vysokokvalitnej farebnej tlači sa pridávajú ešte ďalšie farebné atramenty). Y = a´A+ b´B+ c´C (2) Z rovníc (1) a (2) vyplýva že zložením farieb X a Y získame tretiu farbu Z, pre ktorú platí Z = X + Y = (a+a´)A + (b+b´)B + (c+c´)C (3) Na skladanie farieb môžeme použiť aparát vektorovej algebry (Ako prvý na túto možnosť upozornil Erwin Schrödinger) Postup: daná farebná predloha je analyzovaná (opticky) a rozložená na komponenty primárnych substraktévnych farieb plus čiernu (počítačom). Následne je výsledný obraz vytvorený sekvenčným tlačením jednotlivých farebných predlôch prislúchajúcich jednotlivým farbám atramentov

Farebné systémy • • • Newtonov farebný kruh Munsellov strom Rungeho farebná guľa Ostwaldov kruh Farebný trojuholník Munsellov farebný strom Ľudské oko je citlivé na veľmi malé rozdiely vo farbe a je pravdepodobne schopné rozlíšiť okolo 8 – 12 miliónov individuálnych odtieňov farby. Väčšina farieb totiž obsahuje zmes rôznych vlnových dĺžok z viditeľného spektra. Takže to, čo odlišuje jednu farbu od druhej je relatívne zastúpenie jednotlivých vlnových dĺžok v danej farbe. Každú takúto farbu môžeme definovať troma veličinami (Obr. 5. 7): 1. farebným tónom (angl. hue) – tj. dominantnou paletou vlnových dĺžok (spektrálne zloženie), kruh je rozdelený na 100 rovnakých obvodových jednotiek. Je to vlastne vlnová dĺžka (hranolom nerozložiteľného) svetla, ktoré by vyvolalo v ľudskom oku pocit rovnakej farby ako aktuálne vnímané svetlo. 2. sýtosťou farby (angl. color saturation) – tá udáva či je farba sýta, alebo bledá (farby sú sýte vtedy ak neobsahujú bielu zložku – napr. farby monochromatického svetla, ktoré dostaneme spektrálnym rozkladom bieleho svetla hranolom). Pretože existujú rozdiely medzi jednotlivými farebnými odtieňmi, radiálne je kruh rozdelený rôzne od 10 do 18 dielikov pre jednotlivé farby. 3. svetelným tokom (svietivosť) (angl. brightness) – ktorý udáva intenzitu farby vertikálnou polohou bodu na kmeni stromu, t. j. či je farba svetlá (hodnota 0), alebo tmavá (hodnota 10). Obr. 15. Newtonove farebné kruhy Obr. 16. Munsellov farebný strom

Farebný priestor podľa normy C. I. E. (Commission Internationale de l’Éclairage) systém charakterizuje farby parametrom svietivosť Y a dvomi farebnámi koordinátami x a y, ktoré spolu špecifikujú farbu ako bod vo farebnom CIE diagrame. Tento systém poskytuje väčšiu presnosť merania (resp. stanovenia) farby ako Munsellov systém, pretože uvedené parametre sú založené na spektrálnej distribúcii intenzity svetla (angl. Spectral Power Distribution – SPD) emitovaného farebným objektom Postup ako získať farebné koordináty pre daný farebný objekt je takýto: 1. Meranie spektrálnej distribúcie intenzity objektu (SPD) 2. Vynásobenie SPD každou z troch funkcií zmiešavania farieb (Obr. 5. 10). Poznámka: Jednotlivé funkcie zniešavania farieb predstavujú fyzikálne svetelné toky primárnych farieb tak, že ich jednotkovým sčítaním dostaneme bielu farbu. Taktiež každú farbu spektra E môžeme vyjadriť ako lineárnu kombináciu svetelných tokov základných farieb. (4) Kde a sú koeficienty a A( ) sú hodnoty funkcií zmiešavania primárnych farieb pre vlnovú dĺžku . 3. Výpočet farebných súradnic x, y, z. (5) Obr. 17. C. I. E farebný diagram skonštruovaný podľa uvedených pravidiel. Diagram udáva hranice pre všetky vnímané farby (farebné tóny) a body na jeho obvode reprezentujú maximálnu sýtosť danej spektrálnej farby. . Obr. 18. Aproximatívne farby v C. I. E. diagrame Obr. 19. Funkcie zmiešavania farieb Zo vzťahov (5) vyplýva, že x +y +z =1. To znamená, že nezávisle farebné súradnice sú len dve(x a y ), farebná rovina sa potom kreslí štandartne tak, že farebné koeficienty x a y tvoria pravouhlú sieť. Aditívne zmiešavanie farieb v CIE systéme: Výsledna farba, ktorá vznikne zmiešaním dvoch farieb je určená ako vážený priemer CIE farebných súradníc, pričom váhové faktory obsahujú parametre svietivosti Y. Ak koordináty daných dvoch farieb sú: x 1, y 1 so svietivosťou Y 1 a x 2, y 2 so svietivosťou Y 2 potom výsledna aditívne zmiešaná farba má súradnice (6. a, b ) Farebné súradnice základných farieb sú takéto: R(700 nm): x = 0. 7347, y = 0. 2643, z = 0. 0000 G(546. 1 nm): x = 0. 2738, y = 0. 7171, z = 0. 0088 B(435. 8 nm): x = 0. 1660, y = 0. 0089, z = 0. 8246 Táto lineárna rovnica platí presne iba v prípade, ak sú farby blízko pri sebe.