la disciplina Biofizica Medicala - Vederea in culori

UNIVERSITATEA PITESTI

FACULTATEA DE STIINTE

 

Vederea in culori

Fenomenul de dispersie consta in descompunerea luminii albe in spectrul de culori intre rosu si violet.Procesul depinde de variatia cu lungimea de unda a indicelui de refractie al materialului dispersiv.O radiatie alcatuita din unde electromagnetice, avand o singura lungime de unda, este numita radiatie monocromatica.In domeniul vizibil lumina, astfel alcatuita, este perceputa de ochi ca o culoare spectrala.Culorile din spectrul luminii albe sunt cuprinse intre 400nm (violet) si 750 nm (rosu).

Senzatia de culoare nu poate fi explicata insa prin marimile fizice pe care le utilizeaza fizicianul in descrierea luminii.Culoarea in sine nu spune nimic despre lungimea de unda.Nu este adevarat ca perceperea culorii verzi, de exemplu se datoreste intotdeauna radiatiei de 520 nm.De la obiectul verde provin radiatii care sunt de fapt un amestec de radiatii monocromatice de toate lungimile de unda, desigur de intensitati diferite, cele de la mijlocul spectrului fiind probabil cele mai intense.Pentru a explica in (fig 65) este redata compozitia spectrala a unei radiatii percepute ca fiind verde.

Fiecare punct reprezinta intensitatea unei radiatii componente care are lungimea de unda cuprinsa intr-un interval de 10 nm corespunzator absciselor respective.Din grafic rezulta o mare diversitate de caracteristici fizice ce nu pot fi detectate de ochiul omului care percepe doar o singura culoare.Culoare nu este reflectata subiectiva simpla a unei radiatii de o anumita lungime de unda , ci ceva mult mai complex ea este rezultatul unui proces psihologic.Relatiile intre atributele fizice si psihologice ale luminii sunt cunoscute sub numele de legile lui Hermann Grassmann, care a reusit sa le exprime matematic intr-un mod foarte ingenios.

Aparent, relatia intre lungimea de unda a radiatiei vizibile si senzatia de culoare trebuie sa fie aceeasi ca intre lungimea de unda a sunetului si senzatia de inaltime, dar intrucat mecanismele de percepere ale imaginii si sunetului sunt atat de diferite, si exista foarte multe diferente.

Esential este ca urechea receptioneaza un sunet complex prin analizarea fiecarei componente in functie de frecventa sa prin rezonatorii fibrosi ai melcului.Radiatia electromagnetica interactioneaza cu ochiul la nivelul retinei prin intermediul celor doua tipuri de receptori, bastonasele si conurile.Prima categorie raspunde numai la caracteristicile fizice ale radiatiei legate de intensitate.Bastonasele nu reactioneaza in functie de lungimea unda.Cea de a doua categorie este sensibila prioritar la lungimea de unda a radiatiei.Exista trei feluri de conuri, fiecarui tip fiindu-i caracteristic un anumit tip de pigment pe care celulele de aceasta categorie il contin.Cu alte cuvinte in privinta lungimii de unda, radiatia poate actiona doar prin trei componente care avand lungimile de unda corespunzatoare necesare interactiunii cu cei trei pigmenti existenti in conuri, determina stimulii si declanseaza semnale care contribuie la sintetizarea senzatiei de culoare.

Lumina provenita de la trei proiectoare care emit fascicule de lumina monocromatice, rosie, verde si albastra da regiunea in care cele trei fascicule se intersecteaza culoarea alba, iar in domeniile de suprapunere rosu-albastru, albastru-verde si verde rosu apar respectiv culorile violet, albastru deschis varzui si galben , iar culorile albastru si galben amestecate dau verde.

Ipoteza compunerii unei senzatii de culoare din suprapunerea a trei nuante constituie punctul de plecare al teoriei tricromatice a lumii.In baza experimentala a acestei teorii trebuie incluse observatiile seculare pastrate prin traditie orala sau scrisa experienta provenind de la omul de rand sau de la meseriasii si artistii care s-au ocupat sau i-au interesat culorile, amestecurile de culori si combinarea lor.

Experimentele fiziologice conduc la adoptarea ipotezei ca in conuri exista trei feluri de pigmenti.In special din experimentele cu subiectii care prezinta diferite forme de daltonism s-au putut deduce culorile la care reactioneaza pigmentii conurilor care au putut fi izolati prin analize chimice de mare finete abia relativ recent.

Prima lege a lui GRASSMANN afirma ca ochiul percepand culoarea distinge trei caracteristici fiziologice ale ei :nuanta, stralucirea si saturatia.Pentru a intelege mai usor cele trei caracteristici fiziologice alese de Grassmann, imaginam urmatorul experiment.Una dintre cele doua plaje (campuri) alaturate (1 si 2 fig 66) este iluminata cu un fascicul provenit de la proiectorul M.

Filtrul acestui proiector poate fi schimbat pentru ca pe camp sa apara o anumita culoare care este folosita ca martor pentru comparatie.Pe cea de-a doua plaja se proiecteaza simultan fascicule colorate date de proiectoarele P1, P2, P3.Cele doua campuri 1 si 2 pot fi astfel privite si comparate in acelasi timp.

Caracteristicile alese de Grassmann sunt :

Nuanta este caracteristica, atributul, petei de lumina, rosii de exemplu de pe ecran , prin care acestea se deosebeste de pata verde sau albastra.

Pentru aceeasi nuanta a filtrului pus in fata proiectorului care are ca sursa de lumina un bec putem obtine variind intensitatea curentului de alimentare, modificarea intensitatii fasciculului luminos emis de bec.Operatia este curent efectuata la proiectoarele salilor de spectacol in cazurile in care scena trebuie luminata din ce in ce mai intens sau mai slab.Astfel stralucirea petei de culoare se mareste sau se micsoreaza.

Este cel mai convenabil sa se compare doua campuri iluminate cand acestea sunt plasate alaturat.Prin aceasta metoda, eroarea in aprecierea identitatii senzatiei de culoare este cea mai mica.In acest loc este bine sa subliniem ca prin aceasta metoda de zero nu se analizeaza in ce consta senzatia de culoare pentru un subiect.Se cerceteaza in ce conditii doi stimuli sunt indiscernabili, adica sunt de nedeosebit.Legile descoperite au un caracter static, deoarece se refera la corelatii considerate valabile pentru cea mai mare parte a subiectilor, corelatii considerate pentru acest motiv normale.Abaterile sunt denumite anomalii.

Prin saturatie cea de-a treia caracteristica a culorii, se intelege, pentru o nuanta oarecare, densitatea acesteia.Daca spre exemplu peste pata de culoare rosie se suprapune lumina alba ( a unui proiector care nu are filtru) se obtine o slabire a rosului, pata aparand de culoarea roz.Daca intensitatea spotului luminos alb aruncat pe ecran peste spatiul rosu este slaba, rozul este intens si apropiat de rosu (este mai saturat).Marind intensitatea luminii albe scade saturatia, sa privim o revista colorata, examinand cu o lupa o fotografie care contine varietati de rosu.Vom observa ca fiecare pata de culoare este alcatuita din puncte rosii, iar petele mai saturate au o densitate mai mare de punctele rosii.

Este posibil ca toate cele trei atribute ale culorii sa fie obtinute prin combinarea a numai trei culori pe care le putem numi primare.Se regleaza intensitatile fasciculelor primare, rosu (720 nm), verde (520(nm) si albastru (420), provenite de la proiectoarele P1, P2, SI P3, astfel ca prin suprapunere pe plaja 2 sa se realizeze culoarea martor proiectata de pe plaja 1.

Convenim sa notam valorile intensitatilor celor trei fascicule prin literele X, Y, Z, acestea corespundand valorilor a trei stimuli care suprapusi creeaza ochiul nostru aceeasi senzatie de culoare ca si culoarea martor.Aceeasi culoare poate fi obtinuta si cu alta combinatie de stimuli.Astfel pentru un triplet de culori de baza se formeaza un triplet de numere x, y, z, numite coordonatele cromaticitatii.

Ele reprezinta raportul intre intensitatea luminoasa a unui stimul de intensitate luminoasa totala a celor trei stimuli , contributia fractionala a fiecaruia la alcatuirea culorii dorite.Se observa ca marind intensitatea fiecarui stimul de un numar k de ori se obtin aceleasi coordonate ale cromaticitatii culorile realizate pentru orice k diferind numai prin stralucire, prin luminozitatea lor.Rezulta ca diferitele culori au aceasi nuanta si aceeasi saturatie.Acest fapt poate fi verificat experimental.Se incearca si se realizeaza pe plaje alaturate culoarea identica monstrei.Se maresc de 3 ori intensitatile fasciculelor provenite de la P1, P2, si P3,.Se obtine aceeasi culoare, dar de o alta stalucire.Marindu-se de trei ori intensitatea fasciculului martor, se ajunge din nou la identitatea senzatiilor date de cele doua plaje.

Intrucat exista relatia evidenta rezulta ca numai doua coordonate sunt independente, ceea ce inseamna ca numai doua valori sunt esentiale in experimentarea cromaticitatii.

x+y+z =1

Cromaticitatea poate fi reprezentata intr-un sistem de coordonate, de exemplu x si y.

Nuantele de baza, (R) rosul cu lR=720 nm, (V) verdele cu lV 520 nm, si (A) albastrul cu lA=420 nm, le reprezentam in planul x, y prin punctele R(x=1, y=0), V(x=0, y=1), si A(x=0, y=0) (fig 67).

In acest plan, orice culoare isi are corespondentul intr-un punct al triunghiului VAR, si invers.Fie doua culori C1 si C2 corespunzatoare la doua puncte C1 si C2 (fig 67).Legea a doua a lui Grassmann afirma ca orice culoare care se poate obtine din C1 si C2 isi are imaginea intr-un punct de pe segmentul C1 C2.De exempu culorile de pe latura VR pot fi obtinute din amestecul intre verde si rosu prin variatia raportului intensitatilor lor reciproce.Culoarea C1 poate fi deci combinata cu o alta culoare, C2, pentru a da o noua serie de culori C, dintre C1 si C2 , iar raportul lungimilor segmentelor C1C si CC2 arata in ce raport intra in amestec cele doua culori C1 si C2 , pentru a da C.

Aceeasi culoare C poate fi obtinuta din oricare pereche de culori din triunghiul VAR al carei segment trece prin C, de pilda C3 si C4 desi cele doua combinatii, C1C2 si C3C4, corespunzatoare lui C, s-ar putea sa nu aiba aceeasi compozitie spectrala.

Observam ca o alta culoare, C5 poate fi obtinuta atat din C1 si C2 cat si din C3, C4 si C2(deoarece C este obtinut din primele doua).

Legea a treia poate fi privita ca o prioritate de adivitate a culorilor de acelasi fel.Ea poate fi exprimata prin propozitia :daca la culori egale se adauga culori egale se obtin culori egale.Sub aceasta forma putem scrie si opera cu agalitati care contin marimi cu aceasta semnificatie.

Nu orice culoare poate fi obtinuta din trei culori diferite.In acest caz una dintre cele trei culori care se compun este obtinuta prin amestec in care intervine culoarea martor.In aceste cazuri, intensitatilor celor trei culori sunt variate cu scopul de a gasi cele doua culori care s-au amestecat dand culoarea in cauza.Cele trei culori se gasesc pe aceeasi linie a graficului.

Se mai observa ca trasand un triunghi oarecare, toate punctele lui interioare sunt corespunzatoare tuturor culorilor care se pot forma cu cele trei culori reprezentate prin varfurile sale.

Din rosu (X), galben (M), si albastru (Y) nu se poate obtine verde (Z), intrucat verdele combinat cu rosu da galben.Folosindu-ne de egalitatea simbolica la care ne da dreptul axioma adunarii putem scrie Y+Z=M+Y, de unde -X+Y+Z=M.

Daca pentru nici o valoare a lui X,Y,Z nu se reuseste formarea culorii martor(M), se incearca sa se proiecteze peste aceasta lumina data de una din culorile primare, de exemplu X.Daca reuseste sa se formeze una din celelalte doua culori, valorile stimulilor sunt -X,Y,Z.Daca X este formata prin proiectarea pe culoarea martor a altor doua, Y si Z atunci valorile stimulilor sunt X, -Y, -Z.Valorile negative arata ca din combinatia stimulilor, care sunt afectati de semn, cu martorul, rezulta cea care nu poarta semnul minus.Astfel se vede in general ca orice culoare poate fi alcatuita prin amestecul a altor trei culori, cu conditia ca sa nu fie toate coliniare in graficul lui Grassmann , ceea ce inseamna ca nici una nu este combinatia celorlalte doua.

Sistemul stabilit de Comitetul International al Iluminarii elimina utilizarea valorilor negative ale tristimulilor.Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unei reprezentari conventionale a culorilor spectrale(fig 68), reprezentare pentru care sa obtinut un acord international.In raport cu reprezentarea in planul coordonatelor cromatice triunghiul VAR este inlocuit cu un alt triunghi curbiliniu care ocupa aproximativ acelasi domeniu.Se observa ca varfurile V, A, R, se muta din punctele de coordonate (0, 1), (0 , 0 ), si (1, 0 ) in alte puncte.

Sa facut acest lucru pentru ca orice culoare poate fi exprimata prin coordonate cromatice pozitive, dar deoarece, asa cum s-a mai vazut, trei culori reale nu pot forma toate culorile spectrului numai cu coordonate pozitive, coordonatele reprezentarii CIE constituie de fapt o reprezentare arbitrara aplicata prin conventie internationala.

Toate culorile spectrale se afla pe curba si toate culorile se gasesc in interiorul domeniului inchis.Culorile din interiorul triunghiului VAR sunt si in interiorul triunghiului curbiliniu VAR, iar mecanismul de formare a culorilor descris acolo ramane valabil si aici.Se observa ca triunghiul curbiliniu il include pe cel cu laturi drepte.

Punctul interior C corespunde albului de referinta, albul zilei de amiaza.Culorile complementare se afla la intersectia triunghiului curbiliniu cu oricare dreapta care trece prin C.De exemplu culorile spectrale cu l1=480 nm, si l2=580nm.Unind C cu un punct de pe curba se obtin toate culorile intre alb si culoarea spectrului intr-o scara in care saturatia descreste spre C.Nuanta sau culorile spectrale variaza de-a lungul curbei.

Luand trei culori de baza, obtinem un triunghi in diagrama CIE.Combinand aceste culori se pot obtine toate culorile situate in interiorul triunghiului.Maximum ce se poate obtine este suprafata VAR si este evident ca ramanerea unor regiuni in afara ilustreaza faptul ca nici o combinatie de trei culori nu poate reproduce toate culorile.Alegerea unui triplet inseamna un sistem particular.In fotografie, televiziune si poligrafie exista numeroase moduri de alcatuire a sistemelor particulare.

Sa presupunem ca la tipografie se doreste reproducerea unei fotografii in culori.Se fotografiaza originalul de trei ori cu trei filtre diferit colorate, rezultand trei negative, sa spunem, rosu(magenta), galben si verde(cian).Se expun pe rand trei placi de lumina trecuta prin fiecare din aceste negative.Placile au calitatea de a retine cerneala tipografica sub forma de puncte pe suprafetele impresionate de lumina.La acestea se mai adauga o placa pentru culoarea neagra, pentru detalii si contrast.Foaia de hartie este tiparita de patru ori in cele patru culori.Incercati sa priviti o fotogratie colorata dintr-o revista cu ajutorul unei lupe.Veti observa ca de fapt ea este alcatuita din puncte colorate in cele trei culori, plus negru.

Diagrama CIE da posibilitatea descrierii anomaliilor de percepere a culorilor, observate de foarte multa vreme.

Statistic vorbind, 7-9% dintre barbati si numai 0,5% dintre femei nu vad normal culorile, datorita gradului diferit de sensibilitate la schimbarea acestora.Ei raman insa in cadrul regulei de a forma culorile din trei culori primare.Exista insa oameni la care culorile se formeaza numai in doua culori primare.Anomalia se numeste dicromatism, iar subiectii dicromatici sau tricomati anormali.

Pe baza diagramei CIE se poate descrie dicromatismul, afectiune datorita absentei unuia din pigmetii existenti in conuri.

Din analiza unor anomalii se obtin curbele de absorbtie ale celor trei pigmenti retinieni in functie de lungimea de unda.Cercetarile noi nu au permis insa construirea unei teorii coerente asupra pigmentilor din conuri, dar culorile pigmentilor din aceste celule au fost deduse din determinarile facute cu subiecti anormali prin metoda proiectoarelor.

Dezvoltarea acestui subiect a parut poate in unele locuri oarecum indepartata de problemele biofizice.A fost insa numai o parere deoarece lucrurile prezentate trebuie interpretate in sensul ilustrarii eforturilor facute pentru corelarea unor cunostinte de fizica si matematica in scopul descifrarii mecanismului vederii in culori.Desigur ca multe idei par frumoase si multe rezultate promitatoare.Oricum, putem spune ca intelegem ceva din acest complex proces si mereu apar fapte pe care nu le putem explica multimitor cu teoria pe care o avem la indemana.Si poate ca aici este bine sa amintim ceea ce scria E. Schrodonger, ca « materia vie cu toate ca nu eludeaza legile fizicii asa cum au fost stabilite pana acum , poate sa implice alte legi ale fizicii, dar care o data revelate vor deveni o parte la fel de esentiala a acestei stiinte ca si primele ».S-ar putea insa sa fim inca nepregatiti sa atacam definitiv aceasta problema a formarii senzatiei de culoare.