Трехкомпонентная теория цветового зрения кратко

Обновлено: 02.07.2024

Около 80% информации об окружающем мире человек получает благодаря зрению.

Строение глаза

Глаз человека состоит из глазного яблока, соединенного зрительным нервом с головным мозгом, и вспомогательного аппарата (веки, слезные органы и мышцы, двигающие глазное яблоко). По форме глазное яблоко имеет не совсем правильную шаровидную форму. Его размеры могут быть больше или меньше, что имеет значение для формирования преломляющей способности глаза - его рефракции.

Стенки глаза состоят из 3 оболочек - наружной, средней и внутренней. Они окружают содержимое глазного яблока - хрусталик, стекловидное тело, внутриглазную жидкость. Наружная оболочка глаза - непрозрачная склера, занимающая 5/6 его поверхности; в своем переднем отделе соединяется с прозрачной роговицей. Спереди склера покрыта тонкой слизистой оболочкой - конъюнктивой, которая сзади переходит на внутреннюю поверхность верхнего и нижнего век. По оптическим свойствам роговица - наиболее сильная преломляющая среда глаза. Она также является как бы окном, через которое в глаз проходят лучи света. Непосредственно за роговицей находятся передняя камера глаза - пространство, заполненное прозрачной жидкостью. Задней стенкой передней камеры является радужка; в центре ее расположен зрачок - круглое отверстие диаметром 3,5 мм. В радужке находятся 2 мышцы, расширяющие и сужающие зрачок. Радужка переходит в цилиарное тело. В нем заложена мышца непроизвольного действия, участвующего в аккомодации глаза. Радужная оболочка цилиарное тело составляют среднюю оболочку глаза. Внутренняя оболочка глаза - сетчатка - воспринимающий аппарат. Один из ее слоев - слой зрительных клеток, состоящий из световоспринимающих клеток - палочковых и колбочковых, осуществляющих восприятие цвета. В центре сетчатки расположена область желтого пятна. Полость глаза выполнена хрусталиком и стекловидным телом. Чечевицеобразный хрусталик расположен непосредственно за радужной оболочкой. Стекловидное тело - бесцветная студенистая масса - занимает большую часть полости глаза. Движение глазных яблок возможны благодаря аппарату, состоящему из 4 прямых и 2 косых мышц. Сокращение отдельных мышц глаза или же их групп обеспечивают координированные движения глаз.

Оптическая система глаза

Поступающие в глаз световые лучи, прежде чем оказаться на сетчатке, проходят через несколько преломляющих поверхностей:

водянистая влага передней и задней камер глаза;

В результате преломления на сетчатке возникает уменьшенное перевернутое изображение видимого предмета. Преломляющая способность глаза называется рефракция, и она зависит от 2/3 от преломляющей способности роговицы и на 1/3 от хрусталика. Глаз может приспосабливаться к четкому видению предметов, находящихся на различном расстоянии от него.

Эта способность глаза называется аккомодация. Она осуществляется за счет изменения кривизны хрусталика.

Светочувствительный аппарат

Сетчатка представляет собой внутреннюю оболочку глаза, имеющую сложную, многослойную структуру. Здесь расположены фоторецепторы (палочки и колбочки). В сетчатой оболочке насчитывается приметно 125 млн. палочек и 6 млн. колбочек. Главная масса колбочек сосредоточена в центральной области сетчатки в желтом пятне. По мере удаления от центра число колбочек уменьшается, а палочек возрастает. На периферии сетчатки имеются только палочки. Колбочки предназначены для дневного зрения. Они малочувствительны к слабому освещению. Ими воспринимаются форма, цвет и детали предмета. Палочки воспринимают световые лучи в условиях сумеречного освещения.

Желтое пятно, особенно его центральная ямка, состоящая только из колбочек, является местом наилучшего видения. Такое зрение называется центральным. Остальные части сетчатки принимают участие в боковом, или периферическом, зрении. Задержите взгляд на какой-либо букве читаемой вами строки, и вы убедитесь в том, что эта буква видна хорошо, остальные буквы, особенно расположенные по краям строки, заметно хуже. Центральное зрение обеспечивает возможность рассматривать мелкие детали предметов, а периферическое зрение дает возможность ориентироваться в пространстве.

Трехкомпонентная теория цветового зрения

Человеческий глаз способен различать цвета. Возникновение того или иного цветового ощущения зависит от длины световых волн, действующих на глаз. Длинные волны вызывают ощущение красного цвета, короткие - фиолетового. Волны промежуточной длины вызывают ощущение остальных пяти цветов спектра. Если предмет одновременно отражает все волны спектра, он кажется нам белым; если поглощает - черным.

Иногда у человека частично или полностью нарушается восприятие цвета. Это цветовая слепота. При полной цветовой слепоте (ахромазии) человек видит все предметы одинаково окрашенными в серый цвет, других цветов он не воспринимает.

Частичное нарушение цветового зрения получило название дальтонизма (по имени английского ученого Д. Дальтона, у которого впервые было обнаружено это нарушение). Дальтоники обычно не различают красный и зеленый цвета (они им кажутся серыми разных оттенков). Около 4-5% всех мужчин страдают дальтонизмом. У женщин он встречается реже (до 5%). Для обнаружения дальтонизма пользуются специальными цветовыми таблицами.

Бинокулярное зрение

Нормальное зрение осуществляется двумя глазами (бинокулярное зрение). Это позволяет ощущать рельефное изображение предметов, видеть глубину и определять расстояние предмета от глаза.

При зрение двумя глазами на сетчатке каждого глаза получается свое изображение рассматриваемого предмета. Однако человек воспринимает предмет одиночным. Это происходит от того, что изображение предмета возникает на идентичных точках сетчатки. Идентичными точками сетчатки двух глаз называют области центральных ямок и все точки, расположенные от нее на одинаковом расстоянии. Несовпадающие точки в сетчатке называют неидентичными.

Если лучи от рассматриваемого предмета попадут на идентичные точки сетчаток, то изображение предмета будет раздвоенным.

Зрение двумя глазами отличает восприятие пространства и глубины расположения предметов, дает представление о форме, объеме рассматриваемого предмета. При рассматривании предмета поочередно то одним, то другим глазом, мы видим разные стороны его, что дает представление об объемности предмета.

Восприятие движения предмета в случае неподвижного глаза зависит от передвижения, перемещения его изображения на сетчатке. Восприятие движущихся предметов при одновременном движении глаз и головы и определении скорости движения предметов обусловлено не только зрительными, но и центростремительными импульсами от глазных и шейных мышц.

Зрительный анализатор

Значение зрительного анализатора

Около 80% информации об окружающем мире человек получает благодаря зрению.

Строение глаза

Оптическая система глаза

водянистая влага передней и задней камер глаза;

Эта способность глаза называется аккомодация. Она осуществляется за счет изменения кривизны хрусталика.

Светочувствительный аппарат

Трехкомпонентная теория цветового зрения

Бинокулярное зрение

Содержание

История развития трёхкомпонентной теории цветовосприятия

История создания и совершенствования теорий цветного зрения в общем изложена в статье Теории цветового зрения. То, что мы ощущаем как цвет, «представляет собой комбинированное воздействие:

В конце ХХ века были проведены эксперименты по выяснению природы цветного зрения, в частности - для установления происхождения различных видов дальтонизма [2] , и предполагаемых методов его терапии.

Требования к теории восприятия света и цвета

Факты и их объяснение

Имеющиеся экспериментальные научные данные (колориметрия, цветоведение, оптика, физиология и анатомия человека, биохимия восприятия света, генетика, психология восприятия цвета) должны быть непротиворечиво объединены с помощью понятных физических и математических моделей. Среди фактов, которые должны быть объяснены, к числу важнейших относится метамерия, дополнительные цвета, цветовая адаптация и константность цвета, все формы дальтонизма.

Общие требования

Теория цветного зрения может считаться действительной только при выполнении следующих условий:

При этом, теория не должна изначально принимать за основу какую либо известную (общепризнанную) теорию или рассматривать проблему только с точки зрения одной (наиболее известной) теории.

Предположения заложенные в основу трёхкомпонентной гипотезы

Рис.2, Нормализованные спектры чувствительности фотопигментов сетчатки к определённым длинам волн

Трёхкомпонентная гипотеза цветовосприятия исторически основана на многочисленных наивных теориях, предсказательная сила которых была невелика. Гениальные предположения учёных прошлого были в основном умозрительны, так как естественные науки прошлого не обладали необходимым инструментарием; не был сформирован понятийный аппарат, невозможно было провести многие важные эксперименты. Бурное развитие естественных наук можно отнести к началу ХIХ столетия, когда специалисты в области биологии, химии и физики сделали огромный прорыв в естественных науках.

Исходя из исследований спектров поглощения рецепторов сетчатки глаза были выявлены несколько максимумов поглощения в видимой области. На основании этого было выдвинуто предположение о возможном существовании в сетчатке трёх типов колбочек чувствительных к коротковолновой (Short) области спектра — S колбочки, средневолновой (Medium) области спектра - M колбочки и длинноволновой (Long) области спектра - L колбочки. Это области соответственно синего, зелёного и красного диапазонов, см. рис. 2. Трёхкомпонентной гипотезой цветовосприятия постулировалось, что каждая колбочка может реагировать только на излучения в своей спектральной зоне и выдавать сигналы в мозг на основании которых, в мозгу формируется ощущение цвета.

Рис.3,Принятая основная диаграмма цветов Международной комиссии по освещению XY — диаграмма цветности спектральных цветов

Попытки подтвердить существование 3-х типов колбочек

В ХХI веке проводились различные эксперименты с попытками определения соотношения количества колбочек разного типа в разных зонах поверхности сетчатки человека и приматов, а также по определению информационных потоков от колбочек разного типа к более глубоким слоям нейронной сети сетчатки. [3] , [4] , [5] , [6] , [7] . Однако все эти работы опираются исключительно на статистическую обработку результатов исследований. До сих пор так никому и не удалось выявить отдельные: красно, сине или зелёно-чувствительные колбочки.

Критика трёхкомпонентной гипотезы

Считается, что палитра цветов, которую может различать глаз, работающий в соответствии с трёхкомпонентной теорией зрения, с учётом всех фоторецепторов сетчатки глаза и мозга, имеет вид показанный на рис.3.

Рис. 4. Палитра цветов, воспроизводимая глазом в случае подхода трёхкомпонентной гипотезы зрения (область внутри вписанного остроугольного треугольника)

Факты доказывающие несостоятельность трёхкомпонентной гипотезы

В проблемах цветовосприятия огромное количество мнений и очень ограниченное число достоверно известных фактов.

Эти факты очередной раз показывают полную несостоятельность трёхкомпонентной гипотезы, которую по непонятным до сих пор причинам, некоторые считают "общепринятой"…

Сколько же типов колбочек существует в глазу человека?

Все колбочки одинаковы. Все колбочки содержат одновременно пигменты хлоролаб и эритролаб. В колбочках нет пигмента чувствительного к синей части спектра.

Трёхкомпонентная теория, сторонниками которой являлись учёные из этой группы, бессильна с объяснениями… А вот полученные ими результаты блестяще и однозначно подтверждают нелинейную двухкомпонентную теорию зрения С. Ременко.

Согласно этой теории, в глазу имеются три вида приемников лучистой энергии (колбочек), воспринимающих соответственно красную (длинноволновую), желтую (средневолновую) и голубую (коротковолновую) части видимого спектра.

Все наши ощущения есть не что иное, как результат смешения в различных пропорциях этих трех цветов.

При одинаково сильном возбуждении трех видов колбочек создается ощущение белого цвета, при равном слабом — серого, а при отсутствии раздражения — черного. При этом глаз воспринимает яркость предметов путем суммирования ощущений, получаемых тремя видами колбочек, а цветность — как отношение этих ощущений.

Трехкомпонентная теория цветового зрения в настоящее время является почти общепринятой. Предполагается, что в каждом виде колбочек содержится соответствующий цветочувствительный пигмент (йодопсин), обладающий определенной спектральной чувствительностью (характеристикой поглощения). Химический состав пигментов еще не определен.

Но, рассмотрим вклад ученых разных стран в эту теорию:

Нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель Христиан Гюйгенс активно участвовал в современных ему спорах о природе света.

Сформулировал так называемый принцип Гюйгенса, позволяющий исследовать движение волнового фронта, впоследствии развитый Френелем и сыгравший важную роль в волновой теории света, и теории дифракции.

На основе многолетних исследований и многочисленных опытов Ломоносов разработал теорию света, с помощью которой объяснил физиологические механизмы цветовых явлений. По мысли Ломоносова, цвета вызываются действием трёх родов эфира и трёх видов цветоощущающей материи, составляющей дно глаза.

Теория цвета и цветового зрения, с которой Ломоносов выступил в 1756 году, выдержала проверку временем и заняла должное место в истории физической оптики.

Шотландский физик, математик и астроном Сэр Дэвид Брюстер внес огромный вклад в развитие оптики. Он известен по всему миру, и не только в научных кругах, как изобретатель калейдоскопа.

Оптические исследования Брюстера не имеют теоретического и математического характера; тем не менее он открыл опытным путем точный математический закон, за которым осталось его имя, относящийся к явлениям поляризации света: луч света, косвенно падающий на поверхность стеклянной пластинки, частью преломляется, частью отражается. Луч, отраженный под углом полной поляризации, составляет прямой угол с направлением, которое принимает при этом преломленный луч; это условие приводит к другому, математическому выражению закона Брюстера, а именно — тангенс угла полной поляризации равен показателю преломления.

Он показал, что неравномерное охлаждение сообщает стеклу способность обнаруживать цвета в поляризованном свете — открытие, важное для физики частичных сил; вслед за тем он обнаружил подобные же явления во многих телах животного и растительного происхождения.

В 1816 г. Брюстер объяснил причину образования цветов, играющих на поверхности перламутровых раковин. До его времени алмаз считался представителем самого сильного преломления света, а лед — самого слабого в твердых телах; его измерения расширили эти пределы, показав, что хромо-кислая соль свинца преломляет сильнее алмаза, а плавиковый пшат — слабее льда. Явления поглощения света различными телами, обнаруживающиеся тем, что в спектре (солнечного) света, через них проходящего, обнаруживается множество темных линий, также были предметом исследований Брюстера. Он показал, что многие из линий солнечного спектра происходят от поглощения некоторых частей света земной атмосферой; подробно исследовал поглощение света газом азотноватого ангидрида и показал, что это вещество в жидком виде не образует спектра поглощения. Впоследствии Б. открыл, что некоторые светлые линии спектров искусственных источников света совпадают с темными, фраунгоферовыми, линиями солнечного спектра, и выразил мнение, что и эти последние, может быть, суть линии поглощения в солнечной атмосфере. Сопоставляя высказанные им в различное время мысли об этом предмете, можно видеть, что Брюстер был на пути к великому открытию спектрального анализа; но эта честь во всяком случае принадлежит Бунзену и Кирхгофу.

Брюстер много пользовался поглощающими свет веществами для другой цели, а именно, он старался доказать, что число основных цветов в спектре не семь, как думал Ньютон, а только три: красный, синий и желтый ("New analysis of solar light, indicating three primary colours etc." ("Edinb. Transact.", том XII, 1834). Его громадная экспериментальная опытность дала ему возможность как будто довольно убедительно доказать это положение, но вскоре оно было опровергнуто, в особенности опытами Гельмгольца, неопровержимо доказавшими, что зеленый цвет есть несомненно простой, и что надо принять по меньшей мере пять основных цветов.

Шотландец по происхождению, британский физик, математик и механик Джеймс Максвелл в 1854 году предложению редактора Макмиллана начал писать книгу по оптике (она так и не была закончена).

Опыты Максвелла показали, что белый цвет не может быть получен смешением синего, красного и жёлтого, как полагали Дэвид Брюстер и некоторые другие учёные, а основными цветами являются красный, зелёный и синий . Для графического представления цветов Максвелл, следуя Юнгу, использовал треугольник, точки внутри которого обозначают результат смешения основных цветов, расположенных в вершинах фигуры.

Серьёзный интерес Максвелла к проблеме электричества позволил ему свормулировать волновую теорию света — одну из теорий, объясняющих природу света. Основное положение теории заключается в том, что свет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна (от длины которой зависит цвет видимого нами света).

Теория подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга), и данное поведение света (в виде электромагнитной волны) наблюдается в таких физических явлениях, как дисперсия, дифракция и интерференция света. Однако многие другие физические явления, связанные со светом, одной волновой теорией объяснить нельзя.

Немецкий физик, врач, физиолог и психолог Герман Гельмгольц способствует признанию теории трёхцветового зрения Томаса Юнга.

Теория цветоощущения Гельмгольца (теория цветоощущения Юнга-Гельмгольца, трёхкомпонентная теория цветоощущения) -теория цветоощущения, предполагающая существование в глазу особых элементов для восприятия красного, зелёного и синего цветов. Восприятие других цветов обусловлено взаимодействием этих элементов.

В 1959 году теория была экспериментально подтверждена Джорджом Уолдом и Полом Брауном из Гарвардского университета и Эдвардом Мак-Николом и Уильямом Марксом из Университета Джонса Гопкинса, которые обнаружили, что в сетчатке существует три (и только три) типа колбочек, которые чувствительны к свету с длиной волны 430, 530 и 560 нм, т. е. к фиолетовому, зелёному и жёлто-зелёному цвету.

Теория Юнга—Гельмгольца объясняет восприятие цвета только на уровне колбочек сетчатки и не может объяснить все феномены цветоощущения, такие как цветовой контраст, цветовая память, цветовые последовательные образы, константность цвета и др., а также некоторые нарушения цветового зрения, например, цветовую агнозию.

В 1868 году Леонард Гиршман занимался вопросами цветовосприятия, наименьшего угла зрения, ксантопсии при отравлении сантонином (болезнь, при которой человек видит все в желтом свете) и под руководством Гельмгольца защетил диссертацию "Материалы по физиологии цветоощущения".

Вместо того, чтобы постулировать три типа реакций колбочек, как в теории Юнга-Гельмгольца, Геринг постулирует наличие трёх типов противоположных пар процессов реакции на чёрный и белый, жёлтый и синий, красный и зелёный цвета. Эти реакции происходят на пострецепторной стадии действия зрительного механизма. Теория Геринга выдвигает на первый план психологические аспекты цветового зрения. Когда три пары реакций идут в направлении диссимиляции, возникают тёплые ощущения белого, жёлтого и красного цветов; когда они протекают ассимилятивно, им сопутствуют холодные ощущения чёрного, синего и голубого цветов. Использование четырёх цветов при синтезе цвета дает больше возможностей, чем использование трёх.

Гуревич и Джеймсон развили теорию противоположных процессов Геринга при цветовом зрении до степени, когда различные явления цветового зрения могут быть количественно объяснены как для наблюдателя с нормальным цветовым зрением, так и аномальным цветовым зрением .

Теория Геринга, развитая Гуревичем и Джеймсоном, известна также как оппонентная теория. В ней сохраняется три системы рецепторов: красно-зеленые, желто-голубые и черно-белые. Предполагается, что каждая система рецепторов функционирует, как антагонистическая пара. Как и в теории Юнга – Гельмгольца, считается, что каждый из рецепторов (или пар рецепторов) чувствителен к свету волн разной длины, но максимально чувствителен к волнам определенной длины.

В современной науке, существует несколько теорий объясняющих цветовое зрение человека.

Нарушения цветового зрения

Расстройства цветовосприятия, обусловленные различными патологиями, могут касаться и зрительных пигментов, и обработки сигналов фоторецепторами. Нередко, они случаются и в более высоких сферах зрительной системы. Такие нарушения могут быть врожденными или приобретенными.

При врожденных нарушениях, расстройства других зрительных функций отсутствуют, а сами нарушения цветовосприятия всегда наблюдаются на двух глазах, и могут быть выявлены только при специальном исследовании. Правильно различающий цвета человек, называется нормальным трихроматом, ведь для получения всех цветов, необходимо использовать основные три цвета.

Незначительные нарушения цветовосприятия принято называть цветовыми аномалиями. Подобные нарушения передаются по наследству. Лица, имеющие цветовые аномалии, обычно также являются трихроматами, правда, некоторые цвета они различают хуже трихроматов с нормальным зрением. Кроме того, как показывают исследования, подобные люди, красный и зеленый цвета используют в других пропорциях.

Для дейтераномалии характерна слабость при восприятии зеленого цвета, для протаномалии – красного, для редко выявляемой тританомалии - синего. Дихромазия – более глубокое нарушение цветового восприятия, при нем, человек абсолютно не способен различать один из трех цветив: красный (протанопия), зеленый (дейтеранопия) или синий (тританопия). Такое нарушение, как монохромазия (ахромазия, ахроматопсия), говорит о полном отсутствии цветового зрения - цветовой слепоте, с сохранением только черно-белого восприятия.

Любые расстройства цветового зрения врожденного характера, принято называть дальтонизмом, что является производной от имени английского ученого Джона Дальтона (J. Dalton), который страдал нарушением восприятия красного и описал данное явление.

Приобретенные расстройства цветовосприятия могут встречаться при болезнях сетчатки, зрительного нерва либо патологиях центральной нервной системы. Обычно, они проявляются на одном либо обоих глазах и, как правило, сочетаются с иными расстройствами зрительных функций. Нередко, приобретенные расстройства проявляются восприятием окружающего мира в одном цвете – красном (эритропсия), желтом (ксантопсия), синем (цианопсия). И если врожденные нарушения, имеют постоянный характер, то приобретенные расстройства проходят, как только устранена их причина.

Исследование цветовосприятия – необходимая процедура для людей, чья профессия требует правильного цветоощущения, к примеру, водителей. Для проведения тестов используют специальные таблицы, в которых необходимо распознать один цвет на фоне другого, либо прибор – аномалоскоп.

Читайте также: