Principy vnímání barev - fyzikální a fyziologická omezení

Vnímání barev je možné díky fyzikální vlastnosti světla, jež se nazývá vlnová délka. Světlo obvykle nevyzařuje rovnoměrně na všech vlnových délkách a oko, které tyto vlnové délky umí rozpoznat, pak vnímá světlo jako barevné (v opačném případě se jedná o světlo bílé). Barevnost předmětů je dána jejich odrazivostí, tedy vlastností, jež určuje, které vlnové délky předmět pohlcuje a které naopak odráží.

Vnímání barev u lidí je zcela subjektivní. Tato odlišnost je nejvíce patrná mezikulturně. Lidé, kteří vyrůstají v rozdílných kulturních prostředích a mluví rozdílnými jazyky mají často rozlišný počet termínů, kterými označují jednotlivé barvy.

Princip vnímání barev lidským okem

Barevné spektrum

Zrak, tedy i vnímání barev, je umožněno komplexním procesem, při němž světlo vniká do oka. V každém oku je v ochranném obalu uložena vrstva receptorů, na něž optický systém soustřeďuje světelné paprsky, a systém neuronů, které vedou signály od receptorů do mozku. Tak vzniká zrakový vjem.

Fyziologie oka

Oko by se dalo přirovnat k fotoaparátu – soustava čoček shromažďuje a usměrňuje paprsky dovnitř oka, duhovka funguje jako clona a reguluje množství světelných paprsků, a konečně sítnice funguje jako snímací prvek (v této analogii spíše jako digitální čip, nežli film).

Světlo nejprve prochází přes vnější část oka, vybouleninou zvanou rohovka. Duhovka je speciální kruhový sval, který se stahuje či roztahuje v závislosti na množství světla, uprostřed duhovky vzniká díra zvaná zornice (někdy též panenka), kterou světlo dále prochází – při plném denním světle má zornice cca 2 mm, při slabém osvětlení se zornice může roztáhnout až na 8 mm. Velikost zornice lze ovlivnit nejen světlem, ale například i emočním rozpoložením, či drogami. Barva duhovky je v naší kultuře považována za bravu očí.

Zatímco ve fotoaparátů se nachází soustava čoček, které ostří tak, že se mění vzdálenost mezi nimi, čočka v lidském oku se pomocí svalů ohýbá a mění zakřivení – tento pohyb se nazývá akomodace. Při plném zploštění čočky je zrak zaostřen na všechny předměty vzdálené 6 a více metrů, na předměty bližší se již musí ohýbat. Nejbližší bod, ve kterém vidíme předměty ještě ostře, se nazývá blízky bod. Stárnutím svalů a ztrátou pružnosti čočky se tento bod v průběhu života vzdaluje – od cca 9 cm ve věku 10 let až po cca 83 cm ve věku 60 let.

Světelné paprsky dopadající na sítnici vyvolávají receptorové potenciály. Vzruchy vzniklé v sítnici se přenášejí do mozkové kůry, kde vyvolávají zrakový vjem. Fotoreceptory umístěné na sítnici jsou tyčinky a čípky:

• Tyčinky (asi 130 milionů) - jsou obzvláště citlivé na světlo a jsou receptory pro vidění za šera
• Čípky (asi 7 milionů) - mají mnohem vyšší práh dráždivosti, jejich systém má mnohem větší ostrost a zajišťuje vidění při jasném denním světle a vidění barevné.

Velmi zjednodušeně řečeno, světlo při dopadu na sítnici mění chemické složení receptorů a vzniká tím elektrický nervový puls, který očním nervem pokračuje dále do mozku. Až mozek však dává celý obraz z jednotlivých impulsů „dohromady“.

Oku trvá přibližně 20 minut aby se přizpůsobilo nedostatečnému osvětlení, naopak mu trvá přibližně 5 minut adaptace na světlo (přesněji řečeno mu trvá zhruba 5 minut aby se zbavilo adaptace na tmu). Zajímavé je, že osvětlení červeným světlem téměř eliminuje dobu na adaptaci - vlnové délky červené barvy dráždí totiž tyčinky jen nepatrně, zatímco čípky fungují stále dobře. Proto může člověk nosící červené brýle vidět na světle, zatímco tyčinky jsou stále adaptovány na tmu.

Tyčinek je přibližně 18x více nežli čípků, všechno je však naaranžováno tak, aby oko produkovalo za všech podmínek co nejlepší možné vidění. Jedním z příkladů důmyslné kombinace prostředků může být tzv. Purkyňův efekt.

Základní fyzikální vlastnosti světla

Světlo je elektromagnetické záření. Přesněji řečeno, světlo je pouhá malá výseč, viditelná část celého elektromagnetického spektra o vlnové délce přibližně 380 - 750 nm. Elektormagnetické záření obecně charakterizují tyto údaje:

• Rychlost c - rychlost šíření světla v m/s,
• Frekvence světla f - počet kmitů/vln za sekundu
• Vlnová délka λ - vzdálenost mezi jednotlivými vlnami v jednotkách délky

Měřením světla z pohledu působení na lidské oko se zabývá speciální věda - fotometrie. Fotometrie definuje veličiny jako světelný tok (Φ), svítivost zdroje (I) a intenzitu osvětlení (E).

Šíření světla

Šíření světla je ovlivňováno vlastnostmi prostředí, jímž světlo prochází.Tělesa, jež vyzařují světlo, jsou světelné zdroje. V těchto zdrojích světlo vzniká přeměnami energie v elektronových obalech atomů. Prostředí, kterým se světlo šíří se označuje jako optické prostředí. Tato prostředí se dělí na:

• průhledné – nedochází k rozptylu světla,
• průsvitné – světlo prostředím prochází, ale zčásti se v něm rozptyluje,
• neprůhledné – světlo je silně pohlcováno, nebo se na povrchu odráží.

V homogenním izotropním prostředí se světlo šíří ve všech směrech přímočaře ve tvaru světelných paprsků.

Předmět osvětlený bílým světlem se jeví jako bílý, jestliže difúzně odráží světla všech vlnových délek; odráží-li pouze v krátkovlné oblasti, oko jej vidí jako modrý; odráží-li pouze v dlouhovlné oblasti, jeví se jako červený; neodráží-li světelné paprsky vůbec jeví se jako černý.

Viditelné světlo

Pro člověka viditelné záření (tzv. viditelné světlo) zobrazené v celé škále elektromagnetického spektra

Člověk je schopen vnímat pouze malou část elektromagnetického spektra (vlnové délky cca 380–750 nm).

Jednotlivé barvy od sebe nejsou nijak ohraničené - celé spektrum světla je spojité, jedna barva přechází plynule ve druhou. Ne všechny barvy jsou na spektru přítomné - mnohé vznikají smícháním několika vlnových délek dohromady. Čistá barva dána jedinou frekvencí se nazývá chromatická. Pří smíchání všech vlnových délek viditelného spektra (typicky sluneční světlo) vzniká světlo bílé (tzv. achromatické).

Důležitou skutečností je, že vjem bílé barvy, kterékoliv barvy spektra a dokonce i mimo spektrum ležící barvy purpurové, je možno dosáhnout smíšením světla červeného (vlnová délka 723 až 647 nm), zeleného (575–492 nm) a modrého (492 až 450 nm). Proto nazýváme červenou, zelenou a modrou základními barvami (analogické k modelu RGB).

Další důležitý bod je ten, že vnímání barev částečně závisí na barvách ostatních předmětů v zorném poli. Tak např. červený předmět je vnímán jako červený, pokud je pole osvětleno zeleným nebo modrým světlem, ale pokud je pole osvětleno červeným světlem, je vnímán jako bledě růžový nebo bílý.

Neviditelné záření

Pod hranicí cca 400 nm se vyskytuje tzv. ultrafialového záření a naopak v pásmu od přibližně 750 nm (někdy se uvádí pouze 700 nm) směrem výše se jedná o tzv. infračervené záření. Lidské oko tato záření nevnímá, avšak někteří živočichové tento rozsah vnímat umí.

Míchání barev

Lidské oko obsahuje tři druhy čípků, resp. obsahuje čípky, které mají odlišnou citlivost na různé vlnové délky, tedy na tři základní barvy - červenou, modrou a zelenou. Pouze kombinací těchto základních barev tak můžeme vnímat všechny ostatní z viditelného spektra - lidské vidění je tzv. trichromatické.

Při osvětlení bílým světlem dopadají na povrch každého předmětu tři barevné složky světla: modrá, červená a zelená. Některé materiály dopadající světlo odrážejí, jiné je pohlcují. Většinou však dochází k odrazu jen některých složek. Pokud se odráží všechny složky, barva je bílá, pokud žádné, barva je naopak černá.

Barevný model

Teoretický barevný model matematicky popisuje vytvoření jednotlivých barev z několika dílčích složek. Využívá k tomu jak technické možnosti, tak specifické vlastnosti lidského oka. Člověk je schopen vidět až 168 milionů barev (najednou je jich schopen ale rozeznat jen 10 tisíc), přičemž na různé barvy je různě citlivý. Navíc je schopen vnímat barevné body jen do určité velikosti, pokud se jejich rozměr zmenší pod určitou mez, barevné body splývají a tvoří barevné plochy. Počítače se jednoduše řečeno snaží nedokonalými prostředky technicky napodobovat něco, co v plné šíři umí pouze příroda. Prostor dosažitelných barev v daném modelu nazýváme barevný “gamut”.

Aditivní míšení

Při aditivním (nebo také součtové míšení) barev se sčítají jednotlivé světelné toky a výsledné spektrum záření je poté vnímáno zrakem jako celek.

K aditivnímu míchání tedy dochází tehdy, když se jednotlivé složky barev sčítají a vytváří světlo větší intenzity. Výsledná intenzita se rovná součtu intenzit jednotlivých složek.Při současném dopadu dvou nebo více světel a to buď přímo, nebo odrazem od bílé plochy, která má konstantní činitel odrazu pro všechny složky, vzniká nová barva. Intenzita zrakového vjemu se sčítá, tedy jas se zvětšuje.

RGB (aditivní) vs. CMYK (subtraktivní

Příkladem takovéhoto míchání je model RGB, který se využívá např. v zobrazovacích zařízeních jako je monitor, mobil apod.

Subtraktivní míšení

Subtraktivní míchání barev je opačné aditivnímu. Barvy se zde vytváří překryvem - přidáváním na sebe. S každou další barvou se ubírá část předchozího světla. Např. tím, že z bílého (slunečního) světla odčítáme určité barevné složky, měníme poměr zbylých složek a dostáváme různé jiné barvy. Bílé světlo jakožto směs spektrálních barev ztrácí své složky zcela nebo do určité míry buď průchodem barevnými filtry, nebo odrazem od povrchu barevného tělesa. Např. žlutý filtr propustí jen spektrální žlutou barvu.

Ukázkou subtraktivního míchání je např. model CMYK, který se využívá např při vytváření materiálů pro tisk.

Barvy mají tři základní vlastnosti:

• Odstín - neboli barevný tón, tato vlastnost odlišuje jednotlivé barvy od sebe, bez ohledu na jejich světlost a sytost
• Světlost - charakterizuje odlišení dané barvy od černé
• Sytost - která vyjadřuje účast čisté barvy a do jaké míry je prosta příměsi šedé

Fyziologická omezení

Fyziologické působení barev je často spojeno s vlnovou délkou světla. Barvy o kratší vlnové délce uklidňují psychickou činnost, kdežto barvy o delší vlnové délce ji povzbuzují.

Lidské oko je navíc náchylné k mnoha poruchám vidění jako jsou např. krátkozrakost, dalekozrakost, astigmatismus a porucha barvocitu. Právě porucha barvocitu je z hlediska vnímání barev nejdůležitější a je potřeba na ní myslet např. při vytváření webových stránek a dalších propagačních materiálů.

S poruchou barvocitu se zajímavě vyrovnal konceptuální umělec Neil Harbisson, který pomocí implantované antény dokáže slyšet barvy.

Odkazy

Související články

• Reprezentace a vytváření barev

Archivovaná verze stránky je dostupná na tomto odkazu.