kleurenzicht

De lichtsterkte in omgevingen wordt doorgaans gemeten in lux (grafiek, rechts) of footcandles (1 footcandle = 10,8 lux). Zoals de grafiek laat zien, moet het menselijk oog een enorme variatie in lichtsterkte in natuurlijke omgevingen verwerken — van de lichtsterkte van de middagzon (die kan variëren van 60.000 tot 130.000 lux) tot de lichtsterkte van de planeet Venus of een bewolkte nacht (ongeveer 10⁻⁴ ^lux ). De zon levert een hoeveelheid licht die gelijk is aan die van 500 miljoen heldere planeten of 400.000 volle manen, maar ons zicht kan zich aanpassen aan lichtomstandigheden binnen dit bereik.

Als we moderne binnenruimtes (architectonische omgevingen) beschouwen als een directe weerspiegeling van lichtvoorkeuren, dan voelen mensen zich het meest comfortabel bij een lichtsterkte van ongeveer 100 tot 1000 lux, afhankelijk van de activiteit — 100 lux voor restaurants, kerken of auditoria, 300 lux voor kantoorruimtes, 500 lux voor medische laboratoria, keukens en productieruimtes; en 1000 lux voor operatiekamers. Het "wit" van computermonitoren is ontworpen om het uiterlijk van een wit vel papier te simuleren dat wordt verlicht met een kantoorverlichting van ongeveer 300 lux (ongeveer 28 footcandles ).

De meeste mensen kunnen zich 's nachts gemakkelijk redden in het schemerlicht of bij volle maan; veel mensen dragen liever een zonnebril bij fel daglicht. Dit impliceert een gedragsmatig comfortabele lichtsterkte van 10⁻¹ ^tot boven de ^10⁴ lux, oftewel 5 log-eenheden.

In veel werkomgevingen kan oogvermoeidheid ontstaan ​​wanneer de verlichting te zwak is om details te kunnen verwerken (zoals lezen of naaien), of wanneer het gezichtsveld gebieden bevat die te helder zijn in vergelijking met de omgevingsverlichting. Te heldere verlichting (reflectie door een voorruit, televisie kijken in een donkere kamer, zonlicht dat weerkaatst op open water) kan tranende, geïrriteerde of brandende ogen veroorzaken; onvoldoende verlichting kan leiden tot hoofdpijn, dubbelzien of wazig zien.

Luminantie . Luminantie meet de hoeveelheid licht die vanuit het beeldgebied van een lichtbron of reflecterend oppervlak in het diafragma van een camera of sensor uitstraalt. ( Retinale illuminantie , in Trolands, schat de waarneembare luminantie van een beeldgebied na correctie voor veranderingen in de pupilgrootte van de kijker.)

Het is lastig om referentiewaarden voor de luminantie van fysieke lichtbronnen vast te stellen, omdat de luminantie afhangt van de manier waarop de kijkgeometrie wordt gedefinieerd. (Wordt de luminantie van de hemel gemeten in het zenit of aan de horizon? Is de luminantie het gemiddelde over het hele oppervlak, of de piekwaarde?) Bovendien varieert de luminantie van natuurlijke lichtbronnen zoals de hemel, de maan of de zon sterk afhankelijk van het weer, de geografische locatie of de hoogte ten opzichte van de horizon. Onafhankelijke bronnen geven zeer verschillende luminantiewaarden voor dezelfde lichtprikkel, en de omrekening naar troland is enigszins arbitrair. De onderstaande tabel is mijn beste inschatting van een representatieve selectie van luminantiewaarden, gebaseerd op de reflectie van een wit vel papier (reflectie ~90%).

 
Hier is het bereik van de waarden nog groter, van een bliksemflits (meer dan 10 miljard candela, of 10¹⁰ ^cd /m² ⁾ tot de minimaal mogelijke visuele prikkel (een miljoenste candela of 10⁻⁶ ^cd /m² ⁾ . Bij beide uitersten beïnvloedt de duur van de blootstelling het zicht.

De comfortzone voor oppervlaktehelderheden, zoals gedefinieerd door de verlichting van beeldschermen of oppervlakken onder kunstlicht, ligt in het bereik van 10¹ ^tot 10⁴ ^cd /m² ^, oftewel ongeveer 3 log-eenheden. Dit is een veel kleiner relatief deel van het totale bereik dan bij verlichtingssterktes. Dit is consistent met het feit dat ons visuele systeem zich niet aanpast aan de werkelijke verlichtingssterkte, maar aan de gemiddelde (grijze) helderheid van natuurlijke oppervlakken – het diffuse gereflecteerde beeld van omgevingslicht.

Het bereik van helderheid dat tegelijkertijd zichtbaar is voor een aan helderheid aangepast oog, hangt ook af van de meetmethode, maar is over het algemeen vrij groot. De volle maan heeft een schijnbare magnitude van ongeveer -12,5, en tijdens een volle maan zijn nabije sterren slechts zichtbaar tot ongeveer magnitude 4, wat een helderheidsbereik van 2,5 tot ^16,5 is — ongeveer 1:4 miljoen, of meer dan ^10⁶ . Op dezelfde manier kan een waarnemer die gewend is aan binnenverlichting tegelijkertijd een wit vel papier waarnemen in het middagzonlicht (verlicht door een raam) en donkere oppervlakken in de schaduw binnenshuis, een helderheidsbereik dat ook ongeveer 10⁶ is ^. Voor de meeste doeleinden is het echter betrouwbaarder om de conservatieve waarde van 10⁵ aan te nemen ⁽ zie diagram, rechtsboven).

Houd er rekening mee dat een diffuus lichtgevende lamp van 60 watt ongeveer de helderste lichtbron is waar je continu naar kunt kijken zonder risico op oogbeschadiging. Het verband tussen een heldere uitstraling en een potentieel gevaarlijke lichtintensiteit is gebaseerd op de lichtsterkte van daglicht. Een kaarsvlam lijkt erg helder in een donkere kamer, maar is volkomen ongevaarlijk. Lichtbronnen die overdag als "helder" worden ervaren, zijn bijna altijd gevaarlijk; de ondergaande zon, totdat deze diep oranje is gekleurd, mag slechts vluchtig worden bewonderd.

De vorm van luminantie-adaptatie . De fundamentele adaptatietaak is het comprimeren van het enorme bereik aan natuurlijke lichtintensiteiten tot een consistent (en beperkt) perceptueel bereik van oppervlaktehelderheden en zelflichtsterktes.

Hoeveel informatie verschaffen deze contrasterende vormen van kleur , zowel aan het oppervlak als zelflichtgevend ? Lichtheid, de relatieve helderheid van oppervlakken, geeft veel informatie over fysieke objecten: hun dichtheid, oppervlaktestructuur, moleculaire structuur, mineraalgehalte en zelfs de aanwezigheid van leven. Elke stof heeft een karakteristieke reflectie-"signatuur" die bestaat uit de gemiddelde brekingsindex, reflectie, chromaticiteit, homogeniteit, patroon, oppervlaktestructuur en oppervlaktereliëf.

Helderheid, oftewel luminantie die hoger is dan de reflectie van een "wit" oppervlak, is veel minder informatief. Het geeft lichtbronnen zoals rook van vuren, doorschijnende of spiegelende materialen, en de maan en planeten adequaat weer; maar de dominante natuurlijke lichtbron (de zon) is gevaarlijk om naar te kijken.

De meest informatieve luminantie-adaptatie moet zich dus richten op de beste contrastdiscriminatie bij de luminantievariaties van verlichte oppervlakken , inclusief de iets helderdere luminantievariaties van gefilterd of spiegelend licht.

Een standaardmethode om de relatie tussen stimulushelderheid en perceptuele respons te onderzoeken, is de karakteristieke curve . Deze curve zet de logaritme van de scènehelderheid uit tegen de lineaire respons, als een verhouding tussen de minimaal en maximaal mogelijke respons. De karakteristieke curve wordt gebruikt om de dichtheidsrespons van fotochemische reacties in fotografische film of de foto-elektrische respons van lichtsensoren te beschrijven, maar dezelfde curve beschrijft ook de respons van het gezichtsvermogen van dieren.

een algemene karakteristieke curve

Vergelijking van een ideale luminantie-responsfunctie (blauwe curve) met een generieke karakteristieke curve die representatief is voor de meeste beeldvormende media (bewerkt naar Hunt, 2004).

De karakteristieke curve wordt in principe bepaald door de dichtheidsrespons van het beeldvormende medium op licht, die varieert van de nulrespons (basislijn of responsdrempel) tot een maximale responsdrempel . Buiten deze grenzen zijn luminantievariaties beeldloos. De drempelstimulus is de kleinste lichtenergie die nodig is om een ​​net waarneembare verschuiving ten opzichte van de basislijn (nulrespons) te produceren, en de verzadigingsstimulus is de lichtenergie die een respons produceert die niet te onderscheiden is van de maximaal mogelijke respons. Bij fotografische film is de respons het percentage of de dichtheid van kleurstof- of zilverhalogenidekristallen die door licht worden omgezet (van 0% tot 100%); in het menselijk oog is het het totale responsbereik van het gehele netvlies.

Binnen deze vierzijdige ruimte beschrijft de karakteristieke curve een diagonaal pad in de vorm van een "S", met een knik aan de onderkant (de teen ) en aan de bovenkant (de knie ). Zoals hier beschreven , verandert de vorm van de karakteristieke curve echter radicaal, afhankelijk van of logaritmische of lineaire eenheden worden gebruikt voor de stimulus- en/of responsassen van de grafiek.

Er worden doorgaans twee meetwaarden gebruikt om contrast te beschrijven. De eerste is de contrastverhouding tussen de luminantie van de helderste en donkerste gebieden in de scène, of tussen de responsdichtheid van de "witste" en "zwartste" gebieden van de afbeelding. Voor helderheidswaarden in scènes of afbeeldingen wordt de contrastverhouding als volgt gedefinieerd:

contrastverhouding = L* _max /L* _min

De meeste volledig verlichte oppervlakken (exclusief spiegelende reflecties of direct geprojecteerde lichtbronnen) en computermonitoren hebben een contrastverhouding van ongeveer 1:20. Dat wil zeggen dat de piekreflectie van "wit" zelden hoger is dan L = 95 en de reflectie van "zwart" niet lager dan L = 5. (Kunstmatige materialen kunnen een bereik bereiken van 98% tot minder dan 0,05%.) Schaduwen van daglicht verminderen de helderheid van oppervlakken met ongeveer één logaritmische eenheid, oftewel 90%, waardoor de behoefte aan licht- en schaduwcontrast toeneemt tot ongeveer 1:200. Moderne bioscopen hebben een contrastverhouding van ongeveer 1:80, wat nodig is om het contrastverminderende effect van de donkere kijkomgeving te compenseren en om het werkelijke menselijke reactiebereik (hieronder beschreven) overtuigend te benaderen.

Naarmate de lijn tussen de logaritmische luminantie en de lineaire respons steiler wordt, neemt het beeldcontrast of de luminantiediscriminatie toe. Dit maximale contrast bevindt zich in het nagenoeg rechte middengedeelte van de S- curve, dat zich meestal in het midden van het contrastbereik bevindt. De maat voor het maximale beeldcontrast is gamma , de helling van dit middelste of rechte gedeelte van de log/lineaire S- curve.

De helling moet worden berekend in eenheden die de karakteristieke curve in een vierkant omvatten, zodat de helling een equivalente proportionele verandering op elke dimensie definieert; als alternatief is de helling de tangens van de hoek van een lijn die de centrale helling van de curve benadert. In het algemene diagram hierboven, met behulp van pixeladressen van de "witte" en "grijze" punten:

gamma = (185 – 96)/(247 – 195) = 1,71

Gamma is letterlijk de noemer e in de exponentiële breuk 1/e die een niet-lineaire responscompressie definieert ; om e te vinden , neem je het omgekeerde van gamma. Een gamma van 1,0 geeft een helling van 45° aan in de semilogaritmische grafiek. Een hogere gamma definieert een groter contrast, maar over een beperkter luminantiebereik. Een gammawaarde van ongeveer 2,3 ( 1/e = 0,43) is typisch voor computermonitoren en het menselijk oog.

De karakteristieke curve beschrijft de contrastperceptie bij primaten zeer goed. Wanneer bijvoorbeeld kegeltjes in het netvlies van primaten in vivo (in een intact netvlies) eerst worden aangepast aan verschillende niveaus van achtergrondhelderheid en vervolgens worden blootgesteld aan contrastflitsen met verhoogde of verlaagde helderheid, beschrijft de receptorpotentiaal (elektrische ontlading van de cel) een reeks karakteristieke curves, zoals hieronder weergegeven.

Kegelgevoeligheid en luminantieadaptatie

Veranderingen in het late receptorpotentiaal van kegeltjes in resusaapjes, veroorzaakt door korte flitsen van verhoogde of verlaagde luminantie (witte vierkanten) tegen een adaptatie-visuele omgeving met constante retinale verlichting (blauwe cirkels), voor verschillende niveaus van adaptatieverlichting (bewerkt naar Valeton & van Norren, 1983; en Boynton & Whitten, 1970).

Deze grafiek verduidelijkt een aantal perceptuele veranderingen in het mesopische zicht. Ten eerste blijft het totale responsbereik ruwweg constant, van ongeveer nul tot 700. Ten tweede reageren de kegeltjes bij een vast adaptatieniveau op een contrastverhouding van ongeveer 3 log-eenheden, oftewel 1000:1 troland, wat in feite de limiet is die wordt opgelegd door het bleken van fotopigmenten (of, in de fotografie, de uitputting van zilverkristallen of kleurstoffen). Ten derde verschuift de responscurve naar hogere of lagere luminantieniveaus, over een bereik van 7 log-eenheden, als gevolg van het effect van de adaptatie-intensiteit – een groot visueel gebied met constante luminantie. Ten vierde verschuift de positie van de adaptatierespons op deze constante achtergrond, naarmate de luminantie toeneemt, van de teen naar ongeveer het midden van de karakteristieke curve. Ten slotte blijft de gamma of het contrast van deze curves ongeveer constant over de verschillende luminantieniveaus, hoewel het gebied met piekcontrast (ten opzichte van wit of middengrijs) donkerder lijkt te worden naarmate de luminantie toeneemt, omdat de adaptatierespons verschuift naar de teen van de karakteristieke curve.

totale gezichtsveld van de mens
en effectief lichtgeadapteerd
reactiebereik

naar Paul Schlyter (2005); Handboek Ruimteastronomie en Astrofysica (1982)

De positie van de adaptatie-intensiteit in het midden van de visuele karakteristieke curve lijkt misschien onjuist in vergelijking met de normale plaatsing van "wit" binnen een fotografische karakteristieke curve. Maar als we een semilogaritmische (logaritmische/lineaire) grafiek van luminantie ten opzichte van helderheid nemen, is het duidelijk dat oppervlakteluminanties zich in de onderste helft van het werkelijke visuele responsbereik bevinden en dat de effectieve respons groter is dan 3 log-eenheden luminantie (diagram, rechts). Hoewel helderheid geen zelflichtende kleuren beschrijft, zou de bovengrens van de volledige karakteristieke curve plausibel rond L* = 200 liggen , wat proportioneel ongeveer 1000 keer de luminantie van het adaptatiewit is. Het menselijk zicht lijkt optimaal te presteren (en helderheidsdiscriminatie wordt doorgaans gemeten) bij luminanties van maximaal 320 cd/m² ^of 1000 lux (gelijk aan daglicht in de late namiddag), wat een maximale luminantiegevoeligheid impliceert van ongeveer 3,2 tot 320.000 cd/ ^m² . Houd er rekening mee dat de bovengrens een gevaarlijke lichtblootstellingslimiet is voor de menselijke ogen.

Volle maan is illustratief, omdat we helderheidscontrasten kunnen zien, zowel bij de lichtbron (de "man in de maan") als op de verlichte oppervlakken (de grond). De typische luminantie van de volle maan is ongeveer 3000 cd/m² ^; de verlichtingssterkte is dus ongeveer 0,2 lux, waardoor de oppervlakteluminantie varieert van ongeveer 0,06 (wit) tot 0,012 (middengrijs) cd/m² ^. Het totale luminantiebereik is daarom 3000 tot 0,01, oftewel 300.000:1, wat overeenkomt met een bereik van ongeveer 18 stops in de fotografie en ongeveer 30 keer groter is dan de contrastverhouding die wordt geproduceerd door fotopigment met pupilvernauwing (~4 log-eenheden).

Deze twee voorbeelden tonen aan dat de menselijke visuele respons een bereik van 5 tot 6 log-eenheden luminantie omvat met een contrastverhouding van 95% van 10.000:1 en een gammawaarde van ongeveer 2,4. Om dit responsbereik te bereiken, moeten de afname van fotopigmenten en de pupilgrootte dynamisch worden versterkt door andere adaptatiemechanismen (zoals cellulaire adaptatie en responscompressie, hieronder beschreven ) in de van moment tot moment veranderende luminantie tijdens de visuele ervaring.

helderheid en lichtheid

semilogaritmische grafiek van luminantie tegen helderheid

Het gevolg hiervan is dat het dynamisch bereik van het menselijk zicht sterk wordt beperkt door conventionele beeldmedia. Dit is de motivatie achter beelden met een hoog dynamisch bereik ( HDR ), die de contrastinformatie van drie of meer foto's, genomen met verschillende diafragmawaarden, combineren of volledig opnieuw worden gegenereerd in computeranimatie of -simulatie. De gecombineerde beelden kunnen een luminantiebereik van ^10⁵ (of meer) vastleggen en, weergegeven op media met een hoog dynamisch bereik, de indruk van licht, ruimte en luminantiecontrast reproduceren die we met normaal zicht ervaren. Helaas lijken HDR-beelden enigszins vervormd op media met een laag contrast, zoals fotoafdrukken of computermonitoren (afbeelding rechts), maar HDR-verbeteringen worden effectief gebruikt in de filmindustrie, die een contrastverhouding van 80:1 heeft, en in digitale animatie en computerspeleffecten.

Een laatste probleem is lensflare , gedefinieerd als elke vorm van contrastverminderend licht (helderheid) die aan een optisch beeld wordt toegevoegd. In alle beeldvormingssystemen vermindert lensflare zowel het chromatische als het helderheidscontrast, en soms ook de beelddetails.

Lichtvlekken (flare) worden in de fotografie door veel factoren veroorzaakt, waaronder: verstrooiing door de rand van het diafragma, lensaberratie, diafragmavignettering van beelden van de lichtbron die wordt weerkaatst door brekingsgrenzen (de oppervlakken van lenzen), lichtverstrooiing in de camerabody (inclusief licht dat wordt weerkaatst door de film of het sensoroppervlak), het "verspreiden" of "uitbranden" van de helderste lichten door overbelichting, overbelichting van de film of het vervagen van de ontwikkelde afdruk, reflecties van glanzende afdrukken of beeldschermen, en het doorschijnen van wit papier onder inkt. Analoge bronnen veroorzaken lichtvlekken in het gezichtsvermogen van dieren.

Om overstraling te compenseren, moet het contrast worden verhoogd door de gammawaarde te verhogen, zodat het rechte gedeelte van de karakteristieke curve een steilere helling krijgt (blauwe curve in het diagram hierboven ). Hierdoor verschuift het teen- en kniepunt naar het midden van het luminantiebereik, waardoor donkere kleuren naar zwart neigen en bijna witte kleuren bijna lichtgevend lijken; het bereik van luminantieonderscheiding wordt kleiner.

Omdat oppervlakken alleen worden afgebeeld door verschillen in de absorptie van invallend licht, is flare licht dat oppervlaktecontrasten verbergt . Dit zijn bijna altijd ongewenste reflecties of te fel licht: de schittering van zonlicht dat weerkaatst wordt door water of sneeuw, glansreflectie van gepolijste oppervlakken, het witter worden of desatureren van oppervlakken die in fel zonlicht worden bekeken na een bezoek aan een donkere bioscoop, de overmatige afname van kegeltjesfotopigment bij hoge lichtsterktes. Deze produceren visuele flare-artefacten die identiek zijn aan die welke in beeldvormingssystemen worden aangetroffen.

8-bits simulatie van een
foto met een hoog dynamisch bereik

uit Wikipedia (2007)

Adaptatiemechanismen . De omgevingshelderheid varieert over een enorm bereik, ongeveer van 1 tot 10 miljard, dus de beeldhelderheid zal over een vergelijkbaar bereik veranderen.

De eerste niet-lineaire respons op helderheidsvariaties begint bij de reactie van het fotopigment op licht. Het bleken van het fotopigment volgt een niet-lineaire vergelijking die een "hockeystickcurve" oplevert in een logaritmische helderheid/logaritmische responsgrafiek (diagram, rechtsboven). Deze curve biedt een geschikte karakteristieke curve (voldoende beeldcontrast) voor helderheidswaarden tussen 10³ ^en 10⁶ ^cd /m² ^, wat slechts 3 log-eenheden is van het totale helderheidsbereik van 10 log-eenheden. Aanvullende adaptatiemechanismen zijn dus noodzakelijk.

De eerste is de toevoeging van een tweede fotopigment met een iets ander responsbereik, dat echter, door middel van responscompressie in plaats van fotopigmentverzadiging, wordt aangepast om een ​​veel lager effectief responsbereik te hebben (diagram, rechtsonder). In zoogdierogen wordt dit geleverd door de staafjesfotoreceptoren die worden gebruikt voor nachtzicht, die het scotopische gevoeligheidsbereik van ongeveer 10 ^–4 tot 10 ^–1 cd/m ² verankeren .

De tweede strategie is diafragmaregeling , oftewel het aanpassen van de hoeveelheid licht die op het fotopigment valt. In het menselijk oog is dit de pupilreflex , waarmee de pupilopening met ongeveer een factor 10 of 1 logaritmische eenheid kan worden vergroot. In de fotografie worden deze twee strategieën weergegeven door veranderingen in de filmgevoeligheid en het instelbare diafragma.

Zoals het diagram laat zien, zouden deze twee mechanismen hoogstens een toename van de visuele respons met 7 log-eenheden opleveren, waardoor 3 log-eenheden aan adaptatie onverklaard blijven in het midden- of mesopische luminantiebereik tussen 10 ^–1 en 10 ² cd/m ² .

De resterende adaptatie wordt vermoedelijk veroorzaakt door twee processen. Responscompressie zorgt ervoor dat een gelijke toename in luminantie resulteert in een kleinere proportionele verandering in respons naarmate het totale responsniveau toeneemt. Dit is het primaire adaptatiemechanisme in de staafjes, omdat slechts 10% van het staafjespigment wordt gebleekt bij 1000 troland. Cellulaire adaptatie is een verschuiving van de gehele responscurve onder intensere stimuli, voornamelijk door een verhoging van de adaptatiesnelheid. Dit mechanisme werkt in de kegeltjes en retinale ganglioncellen, maar treedt blijkbaar niet op in de staafjes; staafjes worden door responscompressie "vastgezet" rond de mesopische drempel en beginnen pas in het mesopische bereik te desatureren.

Hoe deze vier afzonderlijke mechanismen — uitputting van fotopigmenten, pupilvernauwing, cellulaire adaptatie en responscompressie — de luminantieadaptatie coördineren, is nog niet bekend. Peter Kaiser en Robert Boynton geven echter een kwantitatieve illustratie van hoe de vier belangrijkste processen met elkaar zouden kunnen interageren, zoals hieronder weergegeven.

processen van lichtadaptatie in iris en kegeltjes

voor luminanties van 0,01 cd/m² ^tot 1.000.000 cd/m² ^, met kwantitatieve markers voor de luminantie van wit papier, pupiloppervlakte en fotopigmentuitputting; aangepast van Kaiser & Boynton (1996, Tabel 6.1)

Ik heb deze adaptatieprocessen weergegeven alsof het onafhankelijke filters met variabele dichtheid zijn die van 100% tot 0% van de waargenomen luminantie kunnen doorlaten. De netto signaalreductie is het filterproduct of het cumulatieve effect van alle adaptatiemechanismen. Deze hebben min of meer hun maximale waarde bereikt bij een retinale luminantie van ongeveer 500.000 troland, dus een matte (diffuse) gloeilamp van 60 W (die ongeveer 10⁵ ^cd /m² ^oplevert ) is een "veilige" en gangbare stimulus om de bovengrens van de luminantiegevoeligheid te illustreren.

Er gebeuren twee dingen wanneer de adaptatieluminantie toeneemt. Ten eerste vindt er een radicale reductie plaats in de schaal van de luminantievariantie . Als scotopische luminantie (ongeveer 0,01 cd/m² ^of 0,28 troland) het punt is waarop geen fotopische adaptatiemechanismen actief zijn, dan reduceert adaptatie het luminantiesignaal bij extreme fotopische niveaus (rond 1 miljoen cd/m² ^of 3,5 miljoen troland) tot slechts 0,00016% (1/633.000) van de scotopische effectiviteit. Ter illustratie: deze signaalreductie is vergelijkbaar met het verschil in het geluid van een autotoeter zoals dat op een afstand van 10 meter of 8000 meter (5 mijl) wordt gehoord.

mechanismen van luminantie-adaptatie

(boven) helderheidsresponsbereik geleverd door alleen fotopigment; (onder) uitbreiding van de helderheidsrespons door pupilvernauwing en een tweede fotopigment (staafjes)

Ten tweede compenseren de adaptatiemechanismen enigszins onvoldoende naarmate de luminantie toeneemt, waardoor een criterium-perceptueel effect (zoals een net waarneembaar verschil met de adaptatieluminantie) een proportioneel kleiner luminantieverschil vereist bij hogere luminanties. Dit zorgt ervoor dat de Weber-fractie van de incrementele luminantierespons afneemt naarmate de luminantie toeneemt, van ongeveer 25% bij 0,01 cd/m² ^tot ongeveer 1,3% bij 100 cd/m² ^. Met andere woorden, het contrast neemt ongeveer honderd keer toe van scotopisch naar laag mesopisch zicht ; daarna blijft het relatief constant in het bovenste mesopische en fotopische bereik. Dit is duidelijk te zien in de divergentie tussen een proportioneel constante drempelrespons en het geadapteerde signaal (diagram, rechts). Het is ook zichtbaar in de verschuiving van de adaptatiestimulus van de teen naar de helling van de karakteristieke curve, zoals weergegeven in het bovenstaande diagram .

Pigmentverbleking vormt de buitengrens van de curve, wat blijkt uit de parallelle curven voor fotopigment (paars) en aangepast signaal (zwart). Verbleking treedt op doordat de fotopigmentmoleculen in het netvlies door licht worden afgebroken, en totdat het fotopigment is geregenereerd, kan licht de reactie van de fotoreceptor niet beïnvloeden. Bij luminantieniveaus onder 100 cd/m² ^kan het proces van aanvulling van fotopigment de verbleking voorblijven, waardoor het pigment "transparant" is voor licht. Bij luminanties boven dit punt vindt verbleking sneller plaats. Het percentage niet-verbleekt fotopigment onder stabiele adaptatie bedraagt ​​ongeveer 50% bij 5000 cd/m² ^en minder dan 0,2% bij 1 miljoen cd/ ^m² .

De meest geleidelijke vermindering vindt plaats door samentrekking van de iris en een afname van de pupilopening. Dit is een reflexmatige reactie en treedt vrij snel op; het uitblijven van de pupilreflex is een teken van ernstig hersentrauma of overlijden. Beginnend bij een volledige scotopische verwijding van ongeveer 28 mm² ^, vermindert het de lichtinval met ongeveer 50% bij een luminantie van ongeveer 50 cd/m² ^, en bereikt het zijn maximale effect, een vermindering van 87%, bij luminanties boven 10.000 cd/ ^m² .

Hoe bepaalt het visuele systeem het juiste adaptatieniveau, met name voor pupilvernauwing en cellulaire adaptatie? Het lijkt erop dat staafjes en/of kegeltjes in de periferie van het gezichtsveld (langs de zijkanten van het oog) een belangrijke rol spelen, en dat er secundaire cellen in het netvlies zijn die lichtgevoelig zijn (op licht reageren) maar op geen enkele manier bijdragen aan het optische beeld dat door de kegeltjes wordt doorgegeven.

Twee aanvullende aanpassingsprocessen komen vaak voor, maar worden zelden in samenhang met de fysiologische mechanismen beschreven. Het eerste betreft de vele vormen van gedragsaanpassing : het aan- of uitzetten van licht, het bewegen naar of van een lichtbron, het afwenden van de ogen van verblinding of felle reflectie, het afschermen van de ogen met een hand of zonnebril. Deze tactieken worden voornamelijk gebruikt om reflecties te verminderen en veranderingen in de aanpassing te minimaliseren, of om een ​​comfortabele lichtsterkte voor een bepaalde taak te creëren.

De tweede is lichtheidsverankering , de perceptuele interpretatie van gebieden met hoge en lage luminantie als witte of zwarte oppervlakken. Dit is een "lokale adaptatie" die wordt bepaald door de relatieve verhouding van gebieden met hoge en lage luminantie in het beeld, los van de "globale adaptatie" aan de gemiddelde luminantie van het gehele gezichtsveld. Door de relatief lichtste gebieden naar wit te verschuiven, past lichtheidsverankering het luminantiebereik van het beeld aan binnen het deel met het hoogste contrast van de karakteristieke curve. Lichtheidsverankering kan onmiddellijke kleurverschuivingen veroorzaken , wat duidt op een cognitief in plaats van een sensorisch adaptatieproces.

De veranderingen in het visuele contrast worden samengevat in het onderstaande schema.

Schematische weergave van het contrast in kleurenzicht op basis van het adaptatieniveau.

Het maximale contrast in zowel helderheid als kleurzuiverheid wordt bereikt bij ongeveer ^10⁴ candela/m² ⁽ onder een lichtsterkte tussen typische daglichtschaduw en vol zonlicht) en neemt in beide richtingen af; daglichtschaduw biedt een optimale lichtsterkte om die zomerroman te lezen. Rond 10¹ ^cd /m² ^is het contrast met ongeveer 15% verminderd ten opzichte van het maximum. Vervolgens begint het contrast te vervagen (de visuele gamma wordt kleiner) onder lage mesopische verlichting (onder 100 troland) en lijken "witte" oppervlakken duidelijk grijs of gedempt. Vanaf 10⁻¹ ^cd /m² ^neemt het contrast verder af tot aan de scotopische drempel; scoptopische "witte" oppervlakken lijken een middengrijs en het onderscheidingsvermogen van de helderheid van donkere oppervlakken gaat verloren. (Vergelijk met dit diagram van luminantierespons-exponenten.)

Licht- en donkeradaptatie . Hoewel de afname van fotopigmenten, de pupilgrootte, cellulaire adaptatie en/of responscompressie de belangrijkste mechanismen van luminantieadaptatie zijn, werken ze op verschillende manieren samen wanneer de adaptatie verschuift naar een omgeving met hogere of lagere lichtsterkte. Deze verschuivingen worden respectievelijk lichtadaptatie en donkeradaptatie genoemd .

Lichtadaptatie . Lichtadaptatie vermindert de gevoeligheid van het oog voor lichtbronnen of lichtomgevingen met een hogere helderheid dan het voorgaande (adaptatie)niveau. Dit zijn bijvoorbeeld de processen die optreden wanneer we een donkere bioscoopzaal verlaten, waarbij het overvloedige daglicht wordt gedimd tot een comfortabeler niveau.

Het belangrijkste kenmerk van lichtadaptatie is dat het relatief snel plaatsvindt in een reeks reacties: eerst gedragsmatige vermijding van extreem fel licht of verblinding, gepaard met pupilvernauwing binnen 2 seconden; vervolgens afname van fotopigment tot een nieuw, stabiel niveau; en ten slotte cellulaire aanpassing aan het hogere responsniveau. Het tijdsverloop hangt af van het beginpunt en de omvang van de lichtverandering, maar lichtadaptatie is doorgaans binnen een minuut al ver gevorderd en binnen 10 minuten gestabiliseerd.

Lichtadaptatie gaat gepaard met een tijdelijk verlies van contrastgevoeligheid bij hogere luminantieniveaus, omdat deze verschuiven naar het afgeplatte "knikpunt" van de karakteristieke curve. Er is een complementaire toename in de onderscheidingskracht van zeer donkere oppervlakken, mits deze zonder reflecties kunnen worden bekeken.

fotopigmentuitputting bij verschillende helderheidsniveaus

Bij hoge lichtsterktes wordt de uitputting van fotopigment de belangrijkste component van fotopische lichtadaptatie. De andere adaptatiemechanismen raken niet volledig verzadigd, waardoor variatie in kegeltjesfotoreceptoren nog steeds kan worden doorgegeven; ondertussen raakt het resterende fotopigment nooit volledig uitgeput en wordt het exponentieel sneller geregenereerd naarmate het de verzadiging nadert. Om deze reden worden we niet volledig ongevoelig voor licht, zelfs niet bij lichtniveaus die schadelijk zijn voor de ogen.

Omdat ze in principe hetzelfde type molecuul zijn, verbleken zowel de staafjes- als de kegeltjesfotopigmenten bij ongeveer dezelfde luminantieniveaus; beide hebben een halfverzadigingspunt bij ongeveer 20.000 troland. Waarom dragen de staafjes dan niet bij aan fotopisch zicht? Het antwoord is dat de responscompressie in de signalen van de staafjesfotoreceptoren, die waarschijnlijk te wijten is aan de verschillende anatomie van de staafjescel, effectief verzadigd raakt bij ongeveer 1000 troland, oftewel 6 log-eenheden boven de luminantiedrempel. Boven dit punt produceert elke verandering in het fotopigment geen visueel signaal meer. Toch is bij deze luminantie slechts ongeveer 2% van het staafjesfotopigment verbruikt.

Een gevolg van het bleken van de kegeltjes is zelfafscherming , oftewel een afname van de optische dichtheid (absorptie) van het visuele pigment in het oog, omdat dit is omgezet in de meer transparante bleekproducten.

Een tweede effect is een verbreding van de kegeltjesgevoeligheidscurve bij zeer hoge lichtintensiteiten, waardoor de relatieve bijdrage van de respons van de staarten van de kegeltjesgevoeligheidscurve ten opzichte van de piek toeneemt. Dit veroorzaakt een afname van de kurtosis (piekigheid) van de gevoeligheidscurve, waardoor de scheiding of het verschil tussen de L- , M- en S -signalen afneemt en dus de waargenomen kleurverzadiging vermindert.

Het derde en meest complexe effect is een verschuiving in de rood/groen-balans – het zou het Wright-Brindley-effect genoemd kunnen worden , naar de onderzoekers die het als eersten opmerkten. Deze verschuiving, die zowel in het foveale als in het gezichtsveld optreedt, verandert de golflengte die exact complementair is aan een "blauwviolette" primaire kleur (dat wil zeggen, het verandert de tint die zich mengt met het S -kegelsignaal om een ​​puur "wit" of achromatisch kleurenmengsel te produceren).

De gevoeligheidsvermindering die door elk adaptatieproces wordt veroorzaakt, wordt teweeggebracht.

basissignaal gedefinieerd door responsdrempel; aangepast van Kaiser & Boynton (1996)

Günter Wyszecki demonstreerde het effect met een standaard Maxwell-matchingtaak (diagram, rechtsboven). Eerst werden drie primaire lichtbronnen – rood ( R ), groen ( G ) en blauwviolet ( B ) – gemengd als criteriumlicht dat overeenkomt met lichtbron D65 , die de eigenschap heeft perfect achromatisch ("wit") te blijven over alle hogere mesopische en fotopische luminantieniveaus. De luminanties van R , G en B konden dus proportioneel worden verhoogd om een ​​retinale verlichtingsbereik van 1.000 tot 100.000 troland te creëren, en het mengsel zou bij elke helderheid "wit" blijven.

Bij elk helderheidsniveau komt de waarnemer overeen met dit criterium "wit" door een tweede mengsel, bestaande uit een doellicht ( T , met een willekeurige golflengte van "rood" tot "groen") met de twee primaire lichtbronnen (het B- licht met ofwel het R- of het G -licht) in voldoende mate om het te desatureren tot een overeenkomend wit.

De grafiek (rechtsonder) toont het voorbeeld van een enkel "geel" (572 nm) doellicht, ontdaan van de primaire kleuren blauw en groen over alle helderheidsniveaus. Bij een retinale verlichtingssterkte van 1000 troland (ongeveer 100 cd/m² ^, of de helderheid van een wit vel papier onder een leeslamp) vormt een "geel" doellicht van 570 nm op zichzelf een zuiver achromatisch mengsel met het primaire blauwlicht (445 nm): elk toegevoegd rood of groen licht zal de "witte" kleur een tint geven. Maar het doellicht van 572 nm is iets te "rood" en moet daarom met een kleine hoeveelheid van het primaire groenlicht naar groen worden verschoven . Bij een retinale verlichtingssterkte van 100.000 trolands (ongeveer 25.000 cd/m² ^, of de helderheid van een wit vel papier in het middagzonlicht) is het complement van B verschoven naar "geelgroen" bij 555 nm en heeft de "gele" golflengte T van 572 nm een ​​"rood" effect in het "witte" mengsel dat moet worden gecompenseerd door de helderheid ervan te verlagen en de helderheid van de primaire kleur G te verhogen . Het grootste deel van deze verschuiving vindt plaats tussen ongeveer 5.000 en 25.000 trolands.

Het meest interessante detail in deze grafiek is de constante proportionele bijdrage van de luminantie (ongeveer 1/6 van de totale "witte" luminantie) van het primaire B -licht aan het doel-"witte" mengsel. Dit weerspiegelt zowel de verwaarloosbare bijdrage van het S -kegelsignaal aan de waarneming van helderheid als de aanwijzing dat de belangrijkste visuele aanpassingen aan variaties in de luminantie van een lichtbron plaatsvinden in de relatieve bijdrage van de L- en M- kegels aan het r/b- tegencontrast.

verschuiving in de geelbalans
van lage naar hoge helderheidsniveaus

Het mengcomplement van "blauwviolet" verschuift van "gele" golflengten bij lage luminanties naar "groene" golflengten bij hoge luminanties.

De bijbehorende grafieken (hierboven) laten ons deze verschuiving in de r/g -balans zien als de relatieve verhouding van R- of G- licht (rood/groen-curve) die nodig is om een ​​doelgolflengte tussen 525 en 630 nm (cyaan-curve) te desatureren. Twee golflengten, 550 nm en 572 nm, zijn met stippellijnen weergegeven om de verschuivingen in de lichtmengsels gemakkelijker te kunnen vergelijken.

Het punt waar geen van beide lichtsoorten nodig is (de R/G -curve staat op nul) definieert de golflengte van het mengcomplement van het 445 nm B- licht: 570 nm bij 1.000 trolands en 555 nm bij 100.000 trolands. De vorm van de R/G -curve blijft ongeveer hetzelfde (steil aan de R- kant en minder steil aan de G- kant), wat impliceert dat de verschuivingen daarom optreden in de proportionele bijdrage van de L- en M- kegeltjes aan het tegencontrast: de L -kegeltjes dragen relatief meer bij aan het chromatische signaal bij hogere luminanties. De hogere L- tintsterkte impliceert een lichte "magenta" ( R+B )-bias in het doelmengsel bij hoge luminanties, wat een hogere luminantie van de "blauwgroene" doellichten en een lagere R- luminantie vereist ter compensatie. Ten slotte zijn er verwaarloosbare verschuivingen in de "blauwe" of "violette" doelgolflengten (onder ~492 nm) omdat zowel het criteriummengsel als de overeenkomende mengsels dezelfde hoeveelheid rode en groene primaire kleuren bevatten.

Deze complexe aanpassingen wijzen duidelijk op een tekortkoming in de proportionaliteitseis van de wetten van Grassmann . De verschuivingen impliceren dat de r/g -balans , maar niet de y/b -balans, een rol speelt in de proportionaliteitsfouten. Deze veranderingen in de r/g- balans ( "gele balans") zijn meetbaar in lichtbronnen, maar niet in oppervlaktekleuren: in dat opzicht lijken ze op de kleurverschuivingen van het Bezold-Brücke-effect . De verschuiving in de complementaire golflengte B is echter zeer groot, waardoor deze bijdraagt ​​aan globale veranderingen in kleurwaarneming (via de perceptie van de lichtbron) — bijvoorbeeld het feit dat "koele" (lichtbron D65 ) lichtbronnen aangenamer lijken dan "warme" (lichtbron A ) lichtbronnen bij hogere lichtsterktes.

Donkeradaptatie . Donkeradaptatie verhoogt de gevoeligheid van het oog voor lichtbronnen of lichtomgevingen met een lagere helderheid dan het voorgaande (adaptatie)niveau. Dit zijn bijvoorbeeld de processen die in werking treden wanneer we vanuit de zomerzon een donkere bioscoopzaal binnenstappen.

Verandering in achromatische menging veroorzaakt door verschuiving in de gele balans.

bewerkt naar Wyszecki & Stiles (1982)

Zoals deze curves suggereren, vindt volledige fotopigmentregeneratie in kegeltjes ruim drie keer sneller plaats dan in staafjes. De aanvankelijke snelle toename van de donkergevoeligheid wordt echter ondersteund door een verhoogde pupilverwijding en een verschuiving in de cellulaire adaptatie van de kegeltjes, processen die de staafjesgevoeligheid niet beïnvloeden.

Donkeradaptatie brengt een relatief langdurig verlies aan contrastgevoeligheid met zich mee bij lage lichtniveaus, omdat deze diep in de afgeplatte "teen" van de karakteristieke curve verschuiven en, voor zeer donkere oppervlakken, onder de adaptatiedrempel komen te liggen. Er is een complementaire toename in de onderscheidingskracht van zeer lichte of heldere oppervlakken en reflecties, bijvoorbeeld in de surrealistische en romantische helderheid van maanverlichte wolken en waterreflecties wanneer men de berghut verlaat voor een nachtelijke wandeling.

Staafjes/kegeltjes-interacties . De bron van mesopische kleurverschuivingen ligt in de overgang van kleurenzicht op basis van kegeltjes naar kleurenzicht op basis van staafjes. Tijdens deze overgang werken kegeltjes en staafjes dynamisch samen bij de kleurwaarneming. Vanuit het perspectief van de colorimetrie werd dit beschouwd als een verstoring of complicatie van trichromatische kleurvergelijkingen; daarom werd het traditioneel staafjesintrusie genoemd. Mesopische kleurveranderingen worden nu bestudeerd als staafjes/kegeltjes-interacties .

Staafjes en kegeltjes spelen een rol bij
donkeradaptatie.

minimale zichtbare luminantie voor kegeltjes (rood) en staafjes (groen); uit Wyzecki & Stiles (1982)

Er zijn vier belangrijke verschillen in kleurwaarneming tussen staafjes- en kegeltjeszicht. Het eerste verschil zit in de chromaticiteit van de staafjes . De gevoeligheid van staafjes wordt meestal gelijkgesteld aan de "blauwgroene" piek in de scotopische lichtkrachtfunctie rond 505 nm, maar als de curve wordt geïnterpreteerd als een kleuraanpassingsfunctie of een transmissieprofiel toegepast op een "witte" lichtbron met gelijke energie, komt de chromaticiteit ervan in werkelijkheid overeen met een CIECAM- of CIELAB-tinthoek van ongeveer 210, of een spectrale tint van 480 nm, wat een hemelsblauw of turkooisblauw is. De verheldering van groene of blauwgroene oppervlaktekleuren (de meer gangbare beschrijving van de Purkinje-verschuiving ) komt daarentegen overeen met de vereniging van de fotopische en scotopische gevoeligheidscurven (de golflengten die beide functies stimuleren), die een CIECAM-tinthoek van 154 heeft, overeenkomend met een middengroene golflengte van 520 nm.

Het tweede verschil zit in het contrast van de staafjeshelderheid , dat kwalitatief donkerder en zachter is. Ik kan in mijn literatuur geen scotopische helderheidsfunctie vinden (een curve die een scotopische luminantiefactor gelijkstelt aan de waargenomen helderheid of witheid), maar de sensatie van scotopisch wit komt overeen met een fotopisch grijs met een reflectie van ongeveer 75% (diagram rechts), en de foveale contrastfunctie lijkt een veel lagere gamma te hebben (een Weber-fractie boven de 20%), waarbij het contrast verschoven is naar de hoogste reflecties, zoals hierboven geïllustreerd .

De laatste verschillen tussen staafjes- en kegeltjeszicht zijn een verandering in de kwaliteit van wit , dat bij scotopisch zicht een spookachtige, zijdeachtige glans heeft; een vermindering van de ruimtelijke resolutie (vooral bij foveaal zicht), waardoor randen en interne details vervagen; en een aanzienlijke vermindering van de parafoveale diepteperceptie van objecten die geïsoleerd worden bekeken. De overgang naar scotopisch zicht resulteert in een gezichtsveld met een bleke, grijsgroene blauwe tint, waarin lichtere vormen worden gekenmerkt door contouren en donkere vormen bijna alle interne (lage contrast) details verliezen; zeer kleine vormen kunnen niet worden onderscheiden en snelle bewegingen zijn sterk vervaagd.

Naarmate het licht afneemt tot in het midden- en lagere mesopische bereik, nemen de reacties van de kegeltjes niet gelijkmatig af. Er vindt in plaats daarvan een verschuiving plaats in de chromatische gevoeligheid naar de extreme "rode" golflengten. Dit wordt gemeten met behulp van kleurmengsels die zo zijn samengesteld dat ze de verschillen tussen fotopische en scotopische helderheid weergeven, terwijl de chromaticiteit tijdens de mesopische overgang constant blijft. Hierdoor kunnen de verschillen in lichtgevoeligheid tussen scotopisch en fotopisch zicht worden weergegeven in een standaard chromaticiteitsdiagram, zoals hieronder te zien is.

de contouren van staafindringing

De isobaren in het diagram laten zien dat de extreme waarden zich concentreren in de "rode" hoek van de chromaticiteitsruimte en sneller afnemen vanuit de "groene" hoek dan vanuit de "violette" hoek, vooral bij gematigde mesopische lichtniveaus. Bij lichtniveaus die dicht bij scotopisch liggen, is de gevoeligheid van de kegeltjes voor "rood" licht dus ongeveer 14 keer hoger dan de gevoeligheid van de staafjes voor dezelfde chromaticiteit. Dit is de reden waarom astronomen en onderzeebootbemanningen rood licht gebruiken om fotopische taken uit te voeren (zoals lezen) zonder hun donkeradaptatie te verstoren.

Tetrachromatische kleuraanpassing . Gezien de aanwezigheid van staafjes is mesopisch zicht in feite tetrachromatisch: de kleurmengsels zijn het resultaat van vier "primaire" inputs — L , M , S en V' .

relatieve chromatische gevoeligheid onder scotopische (λ') en fotopische (λ) adaptatie

Om de mengkarakteristieken van deze vierkleuren- of tetrachromatische kleurruimte te beoordelen, gaf Pat Trezona haar proefpersonen vier instelbare "primaire" lichtbronnen met golflengten van 470 nm ("blauw", B ), 510 nm ("groen", C ), 590 nm ("oranje", Y ) en 645 nm ("rood", R ). Deze werden gebruikt in de methode voor kleuraanpassing met maximale verzadiging om een ​​reeks monochromatische doellichtbronnen ( Q ) te evenaren. Een of meer van de "primaire" lichtbronnen konden met de doellichtbron worden gemengd om deze te desatureren. De proefpersonen mengden eerst de R , Y en B "primaire" lichtbronnen om de doellichtbron (met één of twee "primaire" lichtbronnen gemengd) te evenaren bij een gemiddelde mesopische luminantie (400 troland). Vervolgens werden de mengsels gereduceerd tot een scotopische luminantie (< 2 troland), mocht de proefpersoon zich aanpassen aan het donker en werd de C "primaire" lichtbron aan het gedempte mengsel toegevoegd om een ​​scotopische (helderheids)match te herstellen. Vervolgens werden de lichtbronnen teruggebracht naar fotopische niveaus en werd de aanpassing opnieuw gedaan. Deze afwisseling werd tot drie keer herhaald totdat mengsels werden verkregen die geen kleur- of helderheidsverandering vertoonden tussen mesopische en scoptopische niveaus. De resultaten voor alle doellichtbronnen waren vier "primaire" aanpassingsfuncties met 1, 2, 3 of 4 buigpunten of pieken over het spectrum (diagram, rechts). Negatieve waarden geven aan dat het "primaire" licht gemengd was met de doelkleur.

In het diagram worden twee mengsels, voor "blauwviolet" en "groen", weergegeven om te illustreren dat Trezona's kleuraanpassingsmethode in wezen twee bijna neutrale of achromatische mengsels met overeenkomende helderheid definieert . Het "blauwviolet"-criterium wordt ontverzadigd door het "gele" mengsel R+C , dat vervolgens wordt gekoppeld aan het vergelijkbare achromatische mengsel Y+B . Op dezelfde manier wordt het "groene"-criterium ontverzadigd door het doffe "blauwrood" ( R met een vleugje B ), dat wordt gekoppeld aan het zwakke "groene" mengsel Y+C . De uitzonderlijke mengsels bevinden zich in de lange golflengten, waar alleen de primaire kleur R een waarde groter dan nul heeft, omdat de lichtbronnen van het lange golflengtecriterium "rood" (in plaats van achromatisch) leken, zelfs bij scotopische helderheidsniveaus.

Het onverwachte effect was dat deze helderheid/chromaticiteit-matches metameer (visueel identiek) bleven over alle tussenliggende niveaus van scotopische of mesopische luminantie. Met andere woorden, de mengsels definiëren helderheidsverwarringslijnen in spectrale mengsels die niet worden beïnvloed door veranderingen in luminantie-adaptatie. Merk op dat deze curven geen kleurmatchingsfuncties zijn (omdat de chromaticiteit in de meeste gevallen erg laag was), maar adaptatie-balanceringsfuncties .

De functionele implicaties zijn gemakkelijker te begrijpen wanneer ze worden omgezet in een trichromatische kleurruimte (de "primaire" overeenkomende curven mogen niet meer dan drie buigpunten hebben ), zoals hieronder weergegeven.

De tetrachromatische kleuraanpassingsfuncties van Trezona

geprojecteerd in trichromatische ruimte (bewerkt naar Wyszecki & Stiles, 1982)

Twee van de curven lijken bekend. De ene is een blauwviolette ( B ) functie, die qua vorm en piek overeenkomt met de S-kegelgevoeligheidscurve (tristimulus Z ), die de bijdrage van de S -kegeltjes weergeeft. De V- functie, die qua vorm en piek lijkt op de fotopische lichtkrachtfunctie (tristimulus  Y ) waarbij de bijdrage van de S -kegeltjes is verwijderd (de negatieve waarden in de "violette" golflengten), definieert een intense "geelgroene" chromaticiteit die waarschijnlijk de verschillen in helderheid in het middenspectrum compenseert tussen mesopisch en scotopisch licht.

De twee grootste curven zijn exacte visuele complementen en verklaren bijna de gehele adaptatiebalans (zie inzet). De ene is een oververzadigd, helderheidsvernietigend magenta ( M ) en de andere is het bijna spiegelbeeld ervan: een oververzadigd, helder middengroen ( G ). >>(dat lijkt op de r/g-tegenfunctie ) Ik vermoed dat Trezona een helderheidsafhankelijke verschuiving in een mesopische groen/magenta-balans heeft hersteld die analoog is aan de helderheidsafhankelijke verschuiving in de fotopische geelbalans . Bedenk dat het chromatische adaptatieprobleem van het neutraliseren van de balans in een Maxwell-matchingtaak hetzelfde is als het probleem van het neutraliseren van elke chromatische bias in kleurperceptie: we hebben simpelweg te maken met "wit" in het ene geval en "kleur" in het andere. Het probleem is om het natuurlijke lichtprobleem te identificeren dat Trezona's adaptatiebalans probeert op te lossen.

schematische weergave van chromatische adaptatie bij natuurlijk licht

Als we in CIECAM kijken naar het spoor van optimale kleuren van type B , zien we dat ze twee tegenoverliggende lobben in de kleurruimte vormen.

Verschuivingen in de geelbalans worden vermoedelijk veroorzaakt door verschillen in de bleekwerking van de L- en M- fotopigmenten die de rood/groen- tegenwerking bepalen. De groen/magenta-balans zou worden veroorzaakt door staafjessignalen die via kegeltjesbanen worden doorgegeven en worden geïnterpreteerd als M- en/of S -kegeltjessignalen. Bij fotopisch en hoog mesopisch zicht wordt de luminantiegevoeligheid bepaald door het L+M -signaal met een weging van ongeveer 1,5 L tot 1 M. Bij mesopische verlichting beginnen de staafjes echter de kegeltjesbanen te stimuleren op een manier die lijkt op "groen" licht, waardoor de M- component van de luminantie- en chromatische signalen van de kegeltjes wordt versterkt. Tegelijkertijd stimuleren de staafjes de S -kegeltjesbanen om een ​​fantoomviolette sensatie te produceren, die zich combineert met het aanhoudende chromatische signaal van de L- kegeltjes. Deze definiëren de contrasterende "groene" en "magenta" componenten in mesopisch kleurenzicht.

Wat de precieze mechanismen van mesopische adaptatie ook mogen zijn, de balans tussen groen en magenta kan levendig worden ervaren in het negatieve nabeeld van een "wit" licht. Stel in een donkere kamer eerst beide ogen gedurende één minuut bloot aan het licht van een 60W gloeilamp. Schakel vervolgens het licht uit en kijk in een volledig donkere hoek van de kamer. Het positieve nabeeld van de lamp verschijnt eerst als een helder geelgroen met een donkerpaarse kern. Na enkele ogenblikken verandert dit in een negatief nabeeld: magenta met een geelgroene of gele halfschaduw. Het magenta en groen oscilleren langzaam, totdat het beeld verschuift naar een verzadigd violet omgeven door blauwgroen.

positieve en negatieve nabeelden van een fel licht

Het positieve nabeeld is geelgroen (links), dat overgaat in een oscillerend magenta/groen of paars/groen contrast.

De intense lichtblootstelling bleekt de staafjes en kegeltjes, en de oscillaties in het donker tonen alle kleuren die in Trezona's vergelijkingsmethode zijn geïdentificeerd. Het lijken verschillende contrastmechanismen te zijn die een objectief evenwichtspunt zoeken, aangezien de oscillaties worden onderdrukt door het beeld van externe objecten.

Schilders en grafische kunstenaars zullen het artikel Night Rendering van Henrik Jensen et al. (2000) willen lezen .

helderheid, lichtheid en verankering

In het vorige hoofdstuk werden adaptatiegerelateerde veranderingen in kleurwaarneming onderzocht, die worden veroorzaakt door veranderingen in de fotoreceptoren en de vroege visuele banen. Deze adaptatie creëert een nieuw probleem: hoe kunnen we wit of zwart consistent herkennen in oppervlaktekleuren over een variërend bereik van helderheidswaarden?

Door luminantie-adaptatie geeft de absolute luminantie van een willekeurig oppervlak slechts een zeer slechte indicatie van de reflectie-eigenschappen. Het onderstaande diagram illustreert het opmerkelijke scala aan luminanties dat schuilgaat achter het ogenschijnlijk consistente contrast tussen wit en zwart.

helderheid in de waarneming van zwart-wit

Onder de lichtsterkte van het middagzonlicht heeft een zwart shirt dezelfde helderheid (ongeveer 2600 candela per vierkante meter) als wit papier in de schaduw bij daglicht. In de schaduw reflecteert een zwart shirt meer licht dan wit papier onder een leeslamp (ongeveer 84 cd/m² ⁾ ; en een zwart shirt reflecteert onder de leeslamp meer dan 100 keer zoveel licht als wit papier bij volle maan. Toch hebben deze veranderingen geen invloed op onze herkenning van de grijsschaal.

Lichtheidsinductie . Het visuele systeem heeft een contrastverhouding van ongeveer 10.000:1 binnen 95% van zijn responsbereik, die kan verschuiven om vrijwel alle natuurlijk voorkomende helderheidsniveaus te omvatten. Oppervlaktereflectie produceert een helderheidsverhouding van ongeveer 150:1, die wordt gecomprimeerd tot een lichtheidsverhouding van ongeveer 20:1. Schaduwen verduisteren oppervlakken echter met wel 60%, waardoor een helderheidsverhouding van 300:1 ontstaat en de tintlaag die nodig is om texturen, vormen en objecten te definiëren.

De lichtsterkte varieert tussen het middaguur en middernacht met een factor van een miljard of meer. Maar door de absorptie-eigenschappen van fysieke oppervlakken varieert de helderheid van objecten die diffuus reflecteren met een factor van maximaal 33:1 en in veel gevallen zelfs met minder dan 20:1. Grijstinten staan ​​daarom voor de oppervlakken die overheersen in het visuele beeld, maar zich binnen een smal helderheidsbereik bevinden. Het gezichtsvermogen past zich aan dit helderheidsniveau aan.

Dit helderheidsbereik, dat bijna volledig wordt bepaald door de output van de L- en M-kegeltjes , is gestructureerd als een helderheid/zwartheid ( b/k ) tegendimensie, geordend op toenemende helderheid (zie diagram hieronder).

de tegendimensie van helderheid/zwart

Op deze dimensie is wit het neutrale of adaptatiepunt , de perceptuele kwaliteit die zowel minimale helderheid (zelflichtende kwaliteit) als minimale zwartheid (absorberende kwaliteit) heeft.

De originele tetrachromatische kleuraanpassingsfuncties van Trezona

bewerkt naar Wyszecki & Stiles (1982)

Vrijwel al onze visuele ervaring wordt gevormd door de lichtheid van oppervlakken, wolken en de lucht – dat wil zeggen, door de zwartheid van het tegenovergestelde contrast. Daarom kunnen wit en zwart, in tegenstelling tot de unieke chromatische tinten van de tegenstellingstheorie, met elkaar mengen: wit is de neutrale ("grijze") luminantiekleur, dus het mengt zich met helderheid en zwartheid op dezelfde manier als grijs zich mengt met de tegenovergestelde tinten geel en blauw, of rood en groen. En, net zoals een grijs gebied de complementaire tint van een omringend chromatisch veld aanneemt, kan een klein wit gebied lijken te gloeien als het omgeven is door een groot veld, of er grijsachtig uitzien als het omgeven is door een groot helder veld.

Paradoxaal genoeg betekent dit dat onze luminantiebeleving van de wereld radicaal "monochromatisch" is – met een overwicht aan de lichte kant van de zwart-donkere tegenpooldimensie. Het is alsof alle oppervlaktekleuren worden ervaren als verschillende tinten rood, en alleen licht of heldere reflecties groen lijken.

Deze zwarttinten ontstaan ​​door een negatief luminantiecontrast tussen een gekleurd gebied en de omringende of achtergrondgebieden. Het diagram (rechts) illustreert wat er gebeurt wanneer kijkers een cirkelvormig doellicht bekijken dat geprojecteerd wordt tegen een achtergrond die volledig donker of matig helder is. Tegen de achtergrond van 0 cd/m² ^verandert de schijnbare helderheid evenredig met de luminantie van het doellicht van 100.000 cd/m² ^tot 1 cd/m² ^, en consistent met een bepaalde mate van glans of helderheid. Hoe zwak het licht ook wordt, het lijkt zelflichtend te zijn.

^{Wanneer het object echter tegen een achtergrond van 300 cd/ m²} wordt bekeken , krijgt het de eigenschap zwart te zijn wanneer de helderheid ervan lager is dan die van de achtergrond. Het verliest zijn eigen lichtgevende eigenschap en wordt grijs, om uiteindelijk zwart te worden. Deze verandering van zelflichtgevende helderheid naar oppervlaktezwartheid wordt lichtinductie genoemd .

Het derde aspect van lichtheidsinductie is dat het zich verankert aan de lichtste waarden in het gezichtsveld. Deze worden waargenomen als "wit" of "helder", afhankelijk van hun visuele grootte en luminantiecontrast met de achtergrond. Dit wordt op indrukwekkende wijze gedemonstreerd met het Gelb-trapeffect , zoals hieronder gesimuleerd.

simulatie van het Gelb-trapeffect

Een zwart oppervlak lijkt wit als het op zichzelf wordt verlicht in een donkere omgeving, maar lijkt onmiddellijk donkerder zodra er lichtere oppervlakken naast zichtbaar worden.

Een stuk zwart papier, zwevend in de lucht en verlicht door een spot, lijkt wit omdat het de helderste lichtbron in het gezichtsveld is ( A ). Als er een middengrijs vierkant aan wordt toegevoegd, lijkt dit wit en het zwarte vierkant lichtgrijs ( B ). Als er een wit vierkant aan wordt toegevoegd, lijken de twee voorgaande vierkanten weer donkerder; maar het zwarte vierkant lijkt nooit donkerder dan middengrijs ( C ). De illusie is zeer overtuigend, hoewel de lichtomstandigheden die nodig zijn om deze te produceren, per situatie verschillen. (Het is zeer leerzaam om lichtverankering zelf te ervaren. Zie de instructies van Alan Gilchrist voor het reproduceren van het Gelb-trapeffect .)

Het feit dat een oppervlak met een zeer lage reflectie (zwart) middengrijs lijkt, komt doordat de reflectiemonsters van de Gelb-trap slechts een klein deel van het totale gezichtsveld beslaan: het vierde aspect is dat het zicht zich aanpast aan een ruimtelijke luminantieverdeling , waarbij relatieve luminantieverhoudingen worden afgestemd op hun relatieve gezichtsveld, zoals hieronder wordt uitgelegd .

Het vijfde aspect van lichtinductie is dat het sterk beïnvloed wordt door de ruimtelijke structuur van het gezichtsveld – waarbij "ruimtelijke structuur" enigszins verwarrend genoeg zowel het tweedimensionale patroon van kleurvlakken in het beeld als de driedimensionale rangschikking van objecten ten opzichte van lichtbronnen aanduidt. Er zijn diverse tweedimensionale demonstraties mogelijk, maar het onderstaande voorbeeld is eenvoudig te construeren.

ruimtelijke structuur en lichtperceptie

stimulus bestaande uit een horizontaal wit vierkant met een horizontaal zwart lipje eraan, en een verticaal zwart vierkant met een verticaal wit lipje eraan, van bovenaf verlicht en bekeken onder een hoek van 45°; naar Gilchrist (1977)

De stimulusweergave bestaat uit een wit vierkant en een zwart vierkant, van gelijke grootte en loodrecht op elkaar. Vanuit elk vierkant, in hetzelfde vlak, steekt een klein lipje uit in de tegenoverliggende kleur. De weergave is zo verlicht dat het horizontale vierkant en lipje 30 keer zoveel licht ontvangen als het verticale vierkant en lipje; de ​​zwarte verf heeft slechts 1/30e van de luminantie van de witte verf, dus de lipjes hebben een gelijke luminantie. Wanneer een ongeoefende kijker de opstelling monoculair bekijkt (door een kijkgaatje), lijken de lipjes op de grote vierkanten erachter geschilderd te zijn en wordt het contrast door hen bepaald. Maar binoculair bekeken lijken de lipjes verbonden met de tegenoverliggende vlakken, en deze ene ruimtelijke verandering is voldoende om de perceptie van beide lipkleuren letterlijk om te keren, van donkergrijs (ongeveer L = 35) naar bijna wit (L = 80).

Effect van luminantie-adaptatie: verankeringseffect sterker bij zwakker licht.

Het ruimtelijke patroon van licht en donker is zo belangrijk voor de lichtinductie dat het zelfs bij de binoculaire fusie tussen de twee ogen zichtbaar is. De sterkte van deze rivaliteit kan worden ervaren in het volgende diagram, nadat de twee beelden "vrij zijn gefuseerd" of over elkaar heen zijn gelegd door een visuele vervorming.

rivaliteit tussen tegenstanders in de waarneming van helderheid

(1) ontspan de focus van je ogen en kruis je ogen totdat de twee beelden elkaar overlappen als één centraal beeld, en (2) focus dan opnieuw op het centrale beeld, waardoor het samensmelt.

De overeenkomende cirkels links en rechts verschillen met hetzelfde helderheidsverschil ( ΔL = 20), maar de middelste cirkels wijzen in tegengestelde richting. Daardoor versmelten ze niet tot een gemiddelde helderheidsperceptie, maar lijken ze te zweven en over elkaar heen te glijden. Dit effect is ook aanwezig bij iriserende of randkleuren, die de twee ogen onder een iets andere hoek waarnemen en daardoor als twee overlappende kleuren zien. Het illustreert dat ruimtelijke consistentie fundamenteel is voor onze helderheidsperceptie.

lichtheidsinductie

uit Wyszecki & Stiles (1982)

Witte verankering en lichtgebied . De contraststudie ( hierboven beschreven ) toonde aan dat de schijnbare helderheid van een lichtbron in een donkere omgeving evenredig is met een macht van de luminantie. Deze macht wordt gedefinieerd door de Webergratio , oftewel de luminantieverhoging die nodig is om een ​​net waarneembaar verschil in helderheid te produceren. Ter illustratie: dit evenredige helderheidsgewicht ( W _B ) ( ω ). Onder lichtheidsinductie wordt een onevenredig zwartheidsgewicht ( W _K ) toegevoegd aan alle verwante kleuren waarvan de luminantie lager is dan de witte standaard, waardoor ze donkerder worden tot grijstinten (diagram, rechtsboven).

Deze perceptuele verschuiving heeft het paradoxale effect dat oppervlaktehelderheden lichter lijken dan hun equivalente helderheid, terwijl er tegelijkertijd een perceptuele kwaliteit van zwartheid aan wordt toegevoegd waardoor ze als grijstinten verschijnen.

Wanneer zowel helderheid als luminantie op logaritmische schalen worden weergegeven, lijkt het gewicht van de zwartwaarde de luminantierespons met ongeveer 1 lot-eenheid te verminderen (diagram, rechtsonder). Dit verlaagt de contrastverhouding van 1:1 rond witte tinten tot 10:1 bij grijstinten onder L=10 , wat de gammawaarde effectief verhoogt als compensatie voor overstraling in donkere waarden. (Overstraling in lichte waarden wordt geminimaliseerd door luminantie-adaptatie.)

Stel je een ideaal oppervlak voor dat door reflectie een gelijk visueel oppervlak creëert voor elke luminantiewaarde, en deze waarden willekeurig verdeelt als pixels onder de fusiedrempel. Dan zou de helderheidsfactor alleen al de gemiddelde luminantie vastzetten op Y = 31 en de waargenomen helderheid op L = 61. De zwartheidsfactor verhoogt de luminantie verder, naar Y = 51 , wat overeenkomt met een helderheid van L = 75. Een oppervlak dat een willekeurige, vlakke verdeling van luminanties reflecteert, zou dus gemiddeld als licht worden ervaren.

Zeer lage luminanties worden ondergewaardeerd in het helderheidscontrast.

Intrigerend genoeg komt het gemiddelde helderheidsgewicht overeen met de luminantie van een perfect diffuus wit oppervlak, uitgedrukt als een verhouding (0,314) van de invallende lichtsterkte; en het gemiddelde zwartheidsgewicht (0,51) komt overeen met een reflectie van 50%. In feite wordt het "tekort" van natuurlijke oppervlakken gecompenseerd door het zwartheidsgewicht (diagram, rechts), waardoor werkelijke oppervlakken dichter bij hun ideale waarden komen te liggen. Ze lijken helderder dan ze in werkelijkheid zijn.

Bovendien vertegenwoordigen schaduwen die door vol zonlicht worden geworpen de lichtsterkte van een heldere hemel (12.000 lux), wat slechts 10% is van de lichtsterkte van de zon (~60.000 tot 120.000 lux). Deze verhouding van 1:10 betekent dat de helderheid van een wit oppervlak in een schaduw gelijk is aan de helderheid van een donkergrijs oppervlak in zonlicht.

Dit is de gemiddelde verschuiving: er treedt geen verschuiving op bij witte kleuren, en een tienvoudige verschuiving bij zeer donkere kleuren. De schijnbare helderheid van bijna witte oppervlakken komt overeen met een perfect diffuse verlichting, terwijl de gemiddelde grijstint ook de sterkte van het helderheidscontrast vergroot, oftewel een compenserende overwaardering van donkere grijstinten, en een afvlakking van de helderheidsfunctie die een toenemend contrast met zwart veroorzaakt. Dit verhoogt de waargenomen verdonkering van oppervlakken en het contrast tussen reflectiewaarden.

De laatste stap is het cognitief verschuiven van de perceptuele helderheidsschaal totdat de helderste luminantiewaarde de eigenschap van wit heeft. Kleurenzicht gaat ervan uit dat de lichtste kleurgebieden een minimale absorptie, maar ook een minimale helderheid hebben. Daardoor is wit de adaptatieneutrale waarde voor helderheidsoordelen . Het produceert helderheidsperceptie zonder enige opwaartse druk op de helderheidsadaptatie (die alle kleuren donkerder zou maken). De hoogste helderheidsregel, voorgesteld door Wallach, stelt dat de hoogste waargenomen luminantiewaarde van een oppervlak gekoppeld is aan het kleurconcept wit. Grijstinten worden vervolgens toegewezen volgens de verhoudingsregel.

Deze regels werden onderzocht in een elegante reeks experimenten door Alan Gilchrist en collega's. Zij vroegen proefpersonen om te kijken naar een achromatisch patroon van een middengrijs en een donkergrijs over een heel veld (180°), gepresenteerd aan de binnenkant van een halve bol met een diameter van 76 cm (30 inch), die van onderen werd verlicht met diffuus licht (helderheid van de middengrijze tint: 11 cd/m² ⁾ . De proefpersonen kenden vervolgens, uit hun geheugen, helderheidswaarden toe aan de twee grijstinten met behulp van een Munsell-waardenschaal die ze in een aparte ruimte onder helderder licht bekeken (helderheid van de middengrijze tint: 135 cd/m² ⁾ . Het onderstaande diagram toont het oppervlak van de halve bol als een cirkel, de experimentele patronen en het contrast tussen de gemiddelde waargenomen grijswaarden.

lichtheid verankering

Het binnenste van een hemisfeer werd beschilderd met verschillende contrastpatronen met behulp van donkergrijs (CIE L* = 25) en middengrijs ( L* = 55); de waargenomen grijswaarden werden lichter gemaakt, zodat de lichtere waarde wit leek ( L* > 90); naar Lee & Gilchrist (1999).

Op basis van dit en eerder onderzoek hebben Gilchrist en collega's de volgende lichtheidsheuristieken afgeleid:

• In elk gezichtsveld verschijnt de lichtste waarde van oppervlaktekleuren (gebieden met een matig tot laag luminantiecontrast) als wit (CIELAB L* = 90 tot 95); dit is het witanker met de hoogste luminantie.

• Andere grijswaarden zijn perceptueel gerelateerd aan een grijsschaal in verhouding tot hun helderheid ten opzichte van het witte referentiepunt.

De onderzoekers stelden een relatieve oppervlakteregel voor om rekening te houden met de variaties in helderheidscontrast nadat het witte ankerpunt was vastgesteld, zoals hieronder weergegeven.

relatieve oppervlakteregel voor lichtheidsverankering

naar Lee & Gilchrist (1999)

Als het donkere gebied minder dan 50% van het gezichtsveld beslaat, registreert het zicht simpelweg de luminantieverhouding. Naarmate het donkere gebied groter wordt, lijkt het witte veld helderder en wordt het donkere gebied erachter lichter. Dit geldt alleen wanneer de tweede kleur een afname of een donkerdere waarde heeft dan wit. Als het een toename is, lijkt de hogere waarde zelfhelder. Zelfhelderheid treedt op wanneer het helderste gebied erg klein is en zich afzet tegen een zeer grote, donkere achtergrond.

belangrijke helderheidsverhoudingen

Het blijkt echter dat de mate van contrast met wit ook wordt beïnvloed door het globale ruimtelijke patroon van figuur/achtergrond (diagram, rechts). Zo produceert de perifere rand een grotere contrastreductie dan de lichtpunt, hoewel het donkere gebied achter de lichtpunt groter is; de complementaire elliptische velden produceren hetzelfde contrast, hoewel de ellips een derde kleiner is dan de perifere ring.

Het grootste contrast – het donkerste donker en het lichtste wit – wordt geproduceerd door een centrale donkere stip (1,4° breed) en door een gezichtsveld dat door een enkele rand wordt doorsneden; deze produceren het grootste helderheidscontrast, waarbij de donkere stip of donkere rand zich onder middengrijs bevindt. Het kleinste contrast wordt geproduceerd door een perifere rand, zoals de horizon wanneer we naar de hemel kijken, wat ook het lichtste gezichtsveld oplevert. Daaronder bevindt zich een lichte stip, die het schemergevoel van een lichtgevende schijf in een gloeiende hemel creëert. Een groot elliptisch veld (91° bij 118°) gecentreerd binnen een perifere ring produceert hetzelfde contrast, ongeacht welk veld licht of donker is, en dit contrast komt overeen met het stimuluscontrast – van wit tot een grijs boven middengrijs.

Lichtpercepties die constant blijven bij veranderingen in de totale verlichting zijn verlichtingsinvariant, en lichtpercepties die constant blijven bij veranderingen in de luminantieverhouding met aangrenzende of achtergrondgebieden zijn achtergrondinvariant. Achtergronden moeten over grote retinale hoeken geïntegreerd zijn. Deze moeten "bij elkaar horen", bijvoorbeeld in hetzelfde ruimtelijke vlak liggen.

Reflectieranden duiden op veranderingen in de oppervlakteabsorptie; belichtingsranden definiëren schaduwen. Dit bepaalt tot welke gebieden in de afbeelding behoren.

aanpassing en kleurweergave

We kennen allemaal de ervaring van het overgaan van daglicht naar een verduisterde kamer of theater, en vervolgens weer terug naar fel zonlicht: onze ogen hebben even nodig om zich aan de lichtveranderingen aan te passen. Ik bespreek deze effecten van visuele adaptatie op de pagina over kleur in de wereld , maar het lijkt me gepast om deze bespreking van kleurcontrasten af ​​te sluiten met een blik op helderheidscontrasten.

Twee soorten helderheidsverandering . De helderheidsgerelateerde effecten manifesteren zich als veranderingen in het "volume" en de "vorm" van de kleurruimte: het helderheidscontrast en het chromatische contrast nemen toe, en er is een verschuiving in de tinten.

effecten van verlichtingssterkte of luminantiecontrast

Een basisverlichtingssterkte van een lichtgrijs/donkergrijs contrastpatroon; B:  verlichtingssterkte selectief verhoogd op een deel van het patroon; C:  verlichtingssterkte verhoogd over het gehele patroon.

Het voorbeeld toont een eenvoudig contrastpatroon bij matige tot lage lichtsterkte van één enkele bron. Als de verlichting selectief wordt verhoogd op slechts een deel van het patroon, lijkt de helderheid van dat deel toe te nemen, evenals het contrast met de achtergrond. Een vergelijkbare toename van het contrast treedt op door de verlichting over het gehele patroon te verhogen. Methode B komt neer op een visuele illusie en wordt vaak gebruikt in kunstgalerieën om het schijnbare contrast en de kleurrijkheid van kunstwerken te vergroten.

Mesopische kleurwaarneming . Dit heeft betrekking op verschillen in kleurwaarneming tussen zonsopgang of zonsondergang en het zonlicht midden op de dag.

Het Stevens-effect . Naarmate het licht intenser wordt, neemt de waargenomen helderheidscontrast toe. Dit contrast verbetert de gezichtsscherpte, met name van fijne details, binnen het normale bereik van daglicht. Het Stevens-effect vormt de perceptuele basis voor onze taalkundige associatie van licht en intellect: we werpen licht op een probleem, zien het licht, zijn 'slim' (intelligent) en symboliseren een aha-moment of creatief inzicht met een gloeilamp.

Figuur/achtergrond-effecten op het contrast

van Lee & Gilchrist (1999)

Het voorbeeld rechts illustreert het algemene effect van een verhoogde helderheid op het contrast in helderheid. Voorbeeld a toont het geval waarin een doelkleur veel lichter is dan de omgeving. In dit geval neemt het relatieve contrast tussen de twee gebieden toe naarmate de helderheid van de verlichting toeneemt, waarbij de omgeving donkerder lijkt en de doelkleur lichter. Voorbeeld b toont het geval waarin de doelkleur en de omgeving een vergelijkbare waarde hebben; deze verhouding blijft behouden naarmate de helderheid toeneemt. Voorbeeld c toont het geval waarin de doelkleur veel donkerder is dan de omgeving; ook hier neemt het contrast tussen de twee gebieden toe naarmate de verlichting toeneemt, waarbij het doelgebied zwarter lijkt.

Het Hunt-effect . Naarmate licht intenser wordt, neemt ook de waarneming van kleur of chroma toe. Dit wordt het Hunt-effect genoemd, naar de visiewetenschapper die het in 1952 mat en beschreef door deelnemers te vragen de chroma van twee kleuren, die afzonderlijk en met verschillende helderheidsniveaus werden aangeboden, aan hun beide ogen te koppelen. Het effect is van toepassing op zowel lichtbronnen als oppervlakken.

Zowel het Stevens- als het Hunt-effect zijn veranderingen in de gamma- of contrastfunctie van de karakteristieke curve. De omvang van het effect is niet groot : bij een daglichtverlichting binnenshuis van ongeveer 1000 lux als referentiepunt, neemt het contrast met ongeveer -7% af bij een verlichting van 20 lux en met ongeveer 7% toe bij een verlichting van ongeveer 10.000 lux.

Het Hunt-effect is echter gemakkelijk te observeren. Zoek eerst een grote, felgekleurde afbeelding in een tijdschrift of boek, maar bekijk deze niet van dichtbij nadat je hem hebt gekozen. Ga in plaats daarvan op een zonnige dag naar buiten, wacht een paar minuten tot je ogen aan het licht gewend zijn en bestudeer de afbeelding en de kleurcontrasten die erin voorkomen op je gemak. Ga vervolgens naar binnen, naar een kamer zonder ramen die verlicht wordt door een gloeilamp (wolfraamlamp), laat je ogen vijf minuten wennen en bestudeer de afbeelding opnieuw.

Het Bezold-Brücke-effect . Naarmate licht intenser wordt, verandert ook de waarneming van golflengtes en kleuren. Dit effect wordt het Bezold-Brücke-effect genoemd , naar de twee 19e-eeuwse wetenschappers die het beschreven.

het Bezold Brücke-effect in spectrale lichten

bewerkt naar Wyzecki & Stiles (1982) en Hurvich (1997)

Het belangrijkste effect is een significante uitbreiding van de golflengten die geel of blauw lijken, met een overeenkomstige afname van de golflengten die groen of rood lijken, naarmate de retinale verlichting toeneemt van 100 tot 1000 troland. Dit komt ruwweg overeen met stimulushelderheden van 8 en 130 cd/m² ^, een contrast dat de grens tussen mesopisch en fotopisch zicht overschrijdt. Hoewel staafjeszicht mogelijk gedeeltelijk betrokken is, wordt het grootste deel van de verschuiving toegeschreven aan verschillende adaptatiecurven voor de y/b- en r/g-tegenprocessen . Dit produceert een overeenkomstige verschuiving in de hoogte en spreiding van de kleurannuleringscurven . De r/g-dimensie is blijkbaar gevoeliger voor veranderingen in helderheid en past zich in grotere mate aan dan de y/b- of w/k-dimensies, waardoor de relatieve respons bij hoge lichtniveaus afneemt.

variaties in het Stevens-effect afhankelijk van relatieve waarden

Het Bezold-Brucke-effect bootst de kleurverschuiving na die we zagen bij de kleurannulering: de kleurdiscriminatie neemt toe van het geelgroen via het roodoranje deel van het spectrum, met een complementaire (zij het veel kleinere) toename in de blauwdiscriminatie. (De verschuivingen kunnen ook worden beschreven als een afname van de kleurwaarneming rond uniek groen, een kleine toename van de kleurwaarneming rond uniek blauw en een veel grotere toename rond uniek geel.)

Het is leerzaam om deze figuur te vergelijken met de analyse van kleurdiscriminatie met behulp van de kleurannuleringsmethode met unieke kleurmengsels. Dit lijkt gerechtvaardigd door het feit dat de drie unieke spectrale kleuren constant blijven bij veranderingen in helderheid, en door de vergelijkbare verbreding van de "geel/oranje" en "blauwe" delen van het spectrum en de overeenkomstige vernauwing van de "blauwviolette", "groene" en "rode" delen bij zowel kleurannulering als kleurverschuivingen.

Abney-effect . Als chromatische intensiteit zich manifesteert als een vorm van helderheid of lichtsterkte, zouden we ons kunnen afvragen of een toename in chroma kleurverschuivingen veroorzaakt die vergelijkbaar zijn met de Bezold-Brücke-verschuiving. Het antwoord is: ja, en deze schijnbare, door chroma veroorzaakte veranderingen in de schijnbare kleur staan ​​bekend als het Abney-effect. // De kleurhoek verandert naarmate de helderheid toeneemt. Dit komt door een verandering in de exponent van de S-ingang, die tegen de klok in roteert (Munsell-curve) naarmate de exponent toeneemt. //

De Abney-methode is van toepassing op zowel oppervlakken als verlichting.

Contrast kan terecht het vierde kleurvormende attribuut genoemd worden. Zowel helderheid als verzadiging worden sterk beïnvloed door lokaal contrast, en gevoeligheidsregulatie kan worden gezien als een vorm van contrastadaptatie, net als chromatische adaptatie.

Contrast is een fundamentele referentieruimte, gecentreerd rond een donkergrijs (reflectie 20%) en zich uitstrekkend over een helderheidsbereik van ongeveer 100:1 in fysieke eenheden, waaraan het gezichtsvermogen zich voortdurend aanpast om dit te behouden. Kleurconstantie is in de eerste plaats een kwestie van een omgeving met constant contrast.

Bezold Brücke-verschuivingen in relatie tot de y/b-tegenfunctie

Zoals ik hieronder uitleg, zorgt een laag mesopisch zicht ervoor dat kleuren minder verzadigd raken, het witpunt naar blauw verschuift en de waarneembare verschillen in een reflectiegrijsschaal naar wit toe kleiner worden. Het uiterlijk van witte oppervlakken verandert van een bijna lichtgevende helderheid naar een gesluierd, glinsterend grijs; details in de fovea verdwijnen en de wereld lost op in een lappendeken van grote, contrastarme vormen. Deze veranderingen worden nauwelijks weergegeven in de gebruikelijke beschrijving van de Purkinje-verschuiving als "een toename van de helderheid van blauwe en groene kleuren".  

De laatste tijd is er een toegenomen interesse in het matchen van mesopische kleuren en veranderingen in kleurwaarneming bij lage lichtsterkte, met name in het benoemen of identificeren van kleuren onder mesopische verlichting die onder het colorimetrische bereik ligt. Ik beschrijf zowel mijn persoonlijke observaties als enkele recente onderzoeksresultaten.

Om mesopische veranderingen te onderzoeken, bekeek ik een vel met 24 kleurstalen van ongeveer 2,5 x 2,5 cm, geschilderd op wit papier, onder hemel-/horizonverlichting vanaf zonsondergang tot een uur na zonsondergang, en vervolgens 's nachts in volledige duisternis. De stalen bevatten 17 kleuren, gelijkmatig verdeeld over de kleurencirkel, allemaal met maximale chroma voor hun tint/helderheid, plus 1 groengoud (doffe citroengele kleur) en 6 "aardekleuren" (oker, sienna en umber). Het vel werd bekeken vanuit een erker op de tweede verdieping, met uitzicht op de zuidwestelijke hemel. De onderstaande verlichtingswaarden zijn geschat op basis van een verlichtingsgrafiek en de lokale tijd van zonsondergang. De illustratie (rechts) geeft een beeld van de veranderingen in kleurwaarneming:

•  0 minuten (zonsondergang, A) (zonnehoogte 0°, lichtsterkte ~200 lux). Er was een volledig kleurenspectrum tegen de witte achtergrond, die er enigszins gedempt uitzag, zoals een boek onder een leeslamp.

•  +15 minuten (B) (–4°, ~20 lux). Het witte papier begint te dimmen en te verzachten, en lijkt lichtjes te gloeien; magenta, rood en oranje worden iets lichter en meer verzadigd, alsof ze oplichten; roodviolet, paars en blauw worden iets donkerder. Groen krijgt de verzachte uitstraling van het wit, en een paar minuten nadat het rood lichter lijkt te worden, lijken ook geelgroen en middengroen iets lichter te worden. Geel verliest zijn zonnige, bloemige karakter en begint te verschuiven naar een bruine of okerkleur.

•  +30 minuten (C) (–8°, ~2 lux). Heldere gele kleuren verdwijnen en worden ononderscheidbaar van oker, rauw omber of groengoud; het relatieve groen- of roodgehalte van geel komt naar voren, waardoor geel groen of rozeachtig bruin lijkt. Blauw en groen beginnen in elkaar over te vloeien; donkerpaars lijkt gitzwart. De kleuren vertonen een veel lagere verzadiging, maar lijken nog steeds relatief verzadigd omdat de helderheid ook aanzienlijk is verminderd.

•  +45 minuten (–12°, ~0,2 lux). Alle kleuren zijn gereduceerd tot drie waarnemingen: beige, grijs en een warm (roodachtig) donkergrijs. De donkerste blauwe of groene kleuren worden zwart. Bruin lijkt erg donker maar warm.

•  +60 minuten (D) (–16°, ~0,02 lux). Bijna op de grens van kleurenzicht. Het papier lijkt zijdeachtig grijsblauw en het contrast in helderheid is sterk verminderd; alle rode en bruine tinten vallen samen tot een algemene "warme" tint die veel donkerder is dan de fotopische kleuren. Alle groene en blauwe tinten verschijnen als een grijsachtige "grue" (groenblauw) die lichter (groen) of donkerder (blauw) is dan de fotopische kleuren. Geel, oker en groengoud zakken naar een middenwaarde met een vage oranje tint.

•  +90 minuten (E) (<0,001 lux). Bij volledig scotopisch zicht gaat kleur objectief verloren (getest door naar onbekende tijdschriftomslagen te kijken), maar er blijft een spoor van kleur over in het bekende blad (vooral voor kleuren met een zeer lichte of donkere scotopische waarde), waarschijnlijk vanwege geheugenkleur en/of rudimentaire tintperceptie gebaseerd op "grue"-staafjes en "rode" L- kegeltjes.

Bij de huidige onderzoeksmethoden wordt proefpersonen gevraagd een representatieve selectie kleurstalen te identificeren (door kleuren te benoemen of door gelijkende kleuren te groeperen), of om mesopische kleuren die met het ene oog worden waargenomen te vergelijken met fotopische kleuren die met het andere oog worden waargenomen ( haploscopische kleurvergelijking ). Deze studies, in combinatie met mijn bovenstaande observaties, suggereren de volgende opeenvolging van kleurveranderingen, die ik in het schema (rechts) heb samengevat als vier mesopische stadia :

De subjectieve kleurwaarneming verandert bij de overgang van fotopisch naar scotopisch zicht.

• De overgang van fotopisch naar scotopisch zicht is niet-lineair: kleurverschuivingen zijn snel en dramatisch in het bereik van ongeveer 5 tot 0,05 lux, maar subtieler boven of onder dat bereik.

• De kleurverzadiging neemt af, in ongeveer dezelfde verhouding voor alle tinten, tot aan de visuele grens; een bepaalde tint (en dus kleurverzadiging) blijft aanwezig tot het moment van donker zien, en daarna — hetzij als geheugenkleur, hetzij als de tint die door ervaring geassocieerd wordt met elke lichtsterkte bij donker.

• Betrouwbare kleuronderscheiding, inclusief nauwkeurige identificatie van gele tinten, blijft behouden tot een lichtsterkte van 10 tot 1 lux [ gele mesopische fase]; vrijwel alle kleur verdwijnt bij een lichtsterkte lager dan 0,003 lux [ scotopische fase ].

• Bij ongeveer 5 lux verdwijnt de heldere gele waarneming (gele tinten worden verward met oker of groengoud), maar groen en blauw blijven duidelijk te onderscheiden [ groene mesopische fase].

• Bij minder dan 1 lux is het onderscheid tussen blauw en groen niet meer mogelijk, of wordt het bepaald door de scotopische helderheid van de kleur – de relatieve lichtheid zoals die alleen door de staafjes wordt waargenomen; sienna, rood, oranje en magenta blijven herkenbaar [ rode mesopische fase].

• Bij minder dan 0,1 lux worden rood, oranje en bruin niet meer van elkaar te onderscheiden, roodviolet en paars lijken zwart, maar een zwak warm/koud contrast blijft bestaan ​​[ warme mesopische fase].

Verwante studies suggereren dat de meeste kleurveranderingen bij mesopisch zicht plaatsvinden in het opponentstadium in plaats van het trichromatische stadium, en dat kleurverschuivingen afzonderlijk plaatsvinden op de y/b- en r/g- kanalen.

De huidige onderzoeksrapporten verschillen tot wel 1 log-eenheid van de lichtsterkte van elkaar wat betreft de overgangspunten in de mesopische kleurwaarneming. Dit is waarschijnlijk te wijten aan grote individuele verschillen tussen waarnemers in adaptatie, verschillen in stimuluspresentatie of adaptatievoorbereiding, of onnauwkeurigheden in de lichtsterktemeting. De lage mesopische discriminatiereeks tussen geel en oker/groengoud, groen en blauw, en scharlakenrood en bruin is voldoende gerepliceerd om als adaptatiereferentiepunten te dienen.

Scotopische kleurwaarneming . Ik onderzocht eerst de perceptie van mesopisch en scotopisch contrast door 's avonds laat naar een grijsschaalafbeelding van een fotograaf te kijken, van volledige studioverlichting tot maanloze nachtaanpassing. Het diagram laat zien dat het contrast aanzienlijk afneemt bij scotopische aanpassing, enigszins afneemt rond de mesopische drempel, maar relatief constant blijft naarmate de lichtsterkte toeneemt tot in het fotopische bereik.

het uiterlijk van grijstinten bij verschillende lichtsterktes

De afname in de grijstintdiscriminatie en de verdonkering van de "witte" standaard komen overeen met de verschuiving van de adaptatieluminantie naar de voet van de karakteristieke curve naarmate de adaptatieluminantie afneemt. Hierdoor ligt het maximale contrast bij luminanties boven de oppervlakteluminantie. Op een maanloze nacht nemen we verschillen in oppervlaktehelderheid slechts grofweg waar, maar hebben we een delicate gevoeligheid voor helderheidsverschillen tussen sterren. Bij daglicht verschuiven de adaptatiegrijstinten en -wittinten naar het midden van de karakteristieke curve, en is het contrast in fel licht veel lager dan het contrast in oppervlaktegrijstinten.

vier mesopische stadia in kleurwaarneming bij lage mesopische lichtsterktes

Witte luminantietokens . De helderheidsmetingen die Gilchrist gebruikt, verwarren twee verschillende visuele oordelen: (1) dat een achromatisch contrast er relatief hetzelfde uitziet onder twee verschillende lichtniveaus; en (2) dat een "wit" bij een bepaald adaptatieniveau perceptueel identiek is aan een "wit" bij een ander adaptatieniveau. De eerste bewering is empirisch waar; de tweede bewering is overduidelijk onjuist.

Het voorbeeld (rechts) dient als herinnering dat de algemene ervaring van een wit vel papier kwalitatief anders is wanneer het papier onder verschillende lichtomstandigheden wordt bekeken. Verschillende factoren lijken de waargenomen kleur te beïnvloeden. Er is een duidelijk verschil tussen licht en schaduw, maar dit verschil is kwalitatief uniek bij verschillende lichtsterktes.

Het perceptuele probleem hier is vergelijkbaar met kleurconstantie onder een chromatische lichtbron. Als we een bekende kamer bekijken onder een gekleurd rood of groen licht, lijken we de 'echte' kleuren van de objecten te kunnen waarnemen, terwijl we tegelijkertijd kunnen waarnemen dat de lichtbron een eigen tint heeft. Op een vergelijkbare manier kunnen we wit als een vaste kleur zien, ook al verschilt de perceptie van 'wit' kwalitatief afhankelijk van de lichtsterkte. Bij scotopisch zicht lijken witte tinten een middengrijs en zwarte tinten vrij donker. Bij daglicht lijken witte tinten vrij helder en worden donkere tinten veroorzaakt door contrast. De illustratie (rechts) laat de variaties zien die ik op een zonnige dag in en rond mijn huis tegenkom.

We kunnen het helderheidsbereik in zeven zones verdelen:

•  Sterrenblindheid (onder 1 troland). Het kleurenspectrum is beperkt, er is sprake van foveale blindheid en er is geen kleurenzicht.

•  Maan-scotopisch (1-10 troland). Het waardebereik is groot, er is geen kleurenzicht, met foveale blindheid.

•  Schemering Mesopisch (10-300 troland). Het waardebereik is groot, met toenemende chromaticiteit en foveale scherpte, maar het licht lijkt gedempt.

•  Intiem licht (300-3000 troland). Het waardebereik is groot, met een toenemende kleurweergave en foveale scherpte, en het licht lijkt ruim voldoende.

•  Openbare verlichting (3000-8000 trolands). Grenswaarde van mesopische metameren; maximale kleurrijkheid en luminantiecontrast.

•  Taakverlichting (8.000-80.000 trolands). Kleurverschuiving van groen naar rood; kleurrijkheid en helderheidscontrast komen overeen met de geel/blauw-tegenfunctie.

•  Hemellicht (meer dan 80.000 trolands). Ondergrens van fotopische metameren; piek in kleurrijkheid en helderheidscontrast, zoals bij regenbogen; helderheid alleen bereikt door lichtbronnen.

•  Zonlicht (meer dan 80.000 trolands). Ondergrens van fotopische metameren; piek in kleurrijkheid en helderheidscontrast, zoals bij regenbogen; helderheid wordt alleen bereikt door lichtbronnen.

Het feit dat deze kwalitatieve veranderingen in "witte" oppervlakken bestaan, betekent zowel dat ze een resultaat zijn van visuele verwerking, als dat ze een referentiepunt vormen voor kleurherkenning.

verbanden tussen wit, helder en "helderheid van wit"

Het diagram toont een oplossing. Een eigenschap van "minimale helderheid" wordt gekoppeld aan de standaard die in elke omgeving als wit wordt waargenomen. Het wit zelf heeft een schijnbare helderheid die wordt bepaald door de luminantie-adaptatie.

Het fenomenologische spectrum van wittinten is een uitstekend voorbeeld van een zeer brede kleurverandering die niet door taal wordt gekenmerkt: een geval waarin kleurterminologie niet overeenkomt met de kleurwaarneming.

helderheidsafhankelijke veranderingen in het uiterlijk van "wit"

De witheid van wit . Een laatste punt is dat de kwalitatieve "kleur wit" zelf problematisch is. Technisch gezien is wit een kleurgebied dat volledig vrij lijkt te zijn van chromaticiteit of grijstinten. Gemeten onder standaardomstandigheden is het bereik van oppervlaktekleuren dat als "wit" wordt geaccepteerd vrij klein (vergeleken met het bereik van alle mogelijke kleuren), maar het verschuift wel met de kleur van de lichtbron — een warm gloeilamplicht zorgt ervoor dat gelige oppervlakken als wit worden geaccepteerd, terwijl typisch daglicht het achromatische punt verschuift naar blauwviolet. Muren die overdag kleigeel lijken, kunnen 's nachts, onder gloeilampverlichting, perfect wit lijken.

In specifieke voorkeurssituaties en bij constante verlichting varieert de identificatie van een "echt wit" of "ideaal wit" echter aanzienlijk tussen individuen en, in veel gevallen, zelfs bij dezelfde persoon van moment tot moment. Volgens Wyszecki & Stiles verschillen mensen "in grote mate", wat een combinatie lijkt te zijn van verschillen in kleurenzicht, gebruikelijke blootstelling aan witte oppervlakken van een bepaald type en persoonlijke voorkeur.

In commerciële toepassingen (waaronder textiel, kunststoffen en huishoudelijke apparaten, oftewel "witgoed") waar nauwkeurige kleurcontrole belangrijk is, is een groot aantal colorimetrische formules ontstaan. Deze formules verschillen nogal van elkaar, maar lijken te convergeren naar drie perceptuele standaarden:

• de luminantiefactor of het algehele niveau van fotopische helderheid van de kleur in vergelijking met een perfect diffuus oppervlak; en

• de blauwheid of relatieve verhouding van de emissie of reflectie in "blauw" licht (rond 445 nm) ten opzichte van "geel" of "rood" licht (boven 570 nm); of alternatief

• de chromaticiteit of afwijking van nulwaarden op de tegenoverliggende dimensies ( a* en b* in CIELAB), of afwijking van het witpunt dat is vastgesteld door de lichtbron en een "zuiver" witte referentie, zoals magnesiumoxide.

Blauwtinten komen vaak voor in oudere formules; de meeste huidige metingen gebruiken een combinatie van luminantie en chromaticiteit, afhankelijk van de afstand tot het witpunt.

chromatische adaptatie

Chromatische adaptatie, zoals gedefinieerd door Wyszecki & Stiles (1982), is een verandering in de visuele respons op een kleurprikkel die wordt veroorzaakt door (1) eerdere blootstelling aan een conditionerende stimulus (zoals een helder gekleurd licht of een intens gekleurd oppervlak) of (2) gelijktijdige presentatie van de kleurprikkel tegen een omgeving of achtergrond van een andere kleur.

Dit zijn verschillende visuele processen. Het eerste wordt hieronder beschreven als opeenvolgend kleurcontrast . Het tweede definieert de situatie die in de volgende sectie wordt besproken als chromatische inductie . Er is ook een derde proces, dat meestal wordt geïntroduceerd als onderdeel van kleurconstantie : het visuele systeem past zich aan de lichtbron (de chromaticiteit van de verlichting) aan door de waarneming van alle kleuren te verschuiven om de neutrale uitstraling van een wit oppervlak te herstellen. In feite manipuleren veel studies naar chromatische adaptatie de lichtbron in plaats van de omgevingskleur of de blootstelling van de kijker aan een conditioneringsveld. Dit lijkt dus een derde geval te zijn.

Theorie van chromatische adaptatie . Het mechanisme is beschreven nabij het receptoruiteinde van het visuele proces en is in twee vormen ontwikkeld: als receptoradaptatie en als een evenwicht tussen de tegengestelde functies.

Adaptatie van fotoreceptoren . Een aanzienlijk deel van de chromatische adaptatie lijkt plaats te vinden in de fotoreceptoren, hetzij als een verandering in de individuele gevoeligheidscurven van de L- , M- en  S- kegeltjes, hetzij in de respons van de secundaire cellen van het netvlies op de output van de kegeltjes. Dat wil zeggen, de adaptatie vindt plaats voordat de output van de kegeltjes wordt omgezet in de tegenovergestelde functies .

De eenvoudigste manier om dit effect weer te geven werd voor het eerst voorgesteld in 1902 door Johannes von Kries en staat tegenwoordig bekend als een von Kries-transformatie. Zijn concept is gebaseerd op twee aannames: (1) de adaptatie in de genormaliseerde gevoeligheidscurve van een fotoreceptor L _a , M _a of S _a wordt uitgedrukt als de verhouding van het voorgaande niveau van kegelstimulatie ten opzichte van de maximale stimulatie; en (2) deze adaptatie vindt afzonderlijk plaats in elk type kegeltje. Voor oppervlaktekleuren wordt de maximale stimulatie geproduceerd door een helderwit oppervlak, dus de basisadaptatiefunctie is de verhouding:

L _a = L/L _wit
M _a = M/M _wit
S _a = S/S _wit

Een wit oppervlak neemt de kleur van de lichtbron aan, dus de basisaanpassing kan worden uitgebreid om de verschuiving in de kleurweergave van een wit oppervlak weer te geven die wordt veroorzaakt door de overgang van de ene lichtbron naar de andere, bijvoorbeeld de overgang van daglicht van lichtbron D65 naar lichtbron A :

L _a = (L/L _wp(D65) )*L _wp(A)
M _a = (M/M _wp(D65) )*M _wp(A)
S _a = (S/S _wp(D65) )*S _wp(A)

De aanpassingen. Het onderstaande diagram toont de verschuivingen die optreden wanneer de lichtbron verandert van daglicht D65 naar gloeilamp A. De toename van licht met lange golflengte bleekt proportioneel meer L- en M- fotopigment, waardoor de responskansen van de L- en M -kegeltjes afnemen, terwijl de afname van licht met korte golflengte ervoor zorgt dat er meer S- fotopigment kan regenereren, waardoor de responskans van de S- kegeltjes toeneemt.

receptor chromatische adaptatie

Veranderingen in de relatieve kegeltjesgevoeligheidscurven bij de overgang van D65 naar A-lichtbron.

Wanneer we geconfronteerd worden met een plotselinge verandering in de lichtbron, kan de tijd die nodig is voor deze aanpassing relatief kort zijn, ongeveer 5 minuten. Omdat dit een geëvolueerde reactie is op de geleidelijke veranderingen in de daglichtfasen, merken we kleurverschillen normaal gesproken alleen op in ongebruikelijke omstandigheden, zoals snelle onweersbuien, rook van bovenaf of brand. Gelukkig beschikken we over een systeem dat visuele complementaire kleuren nauwkeurig beschrijft (de opponentprocesalgebra). En we kunnen dit systeem gebruiken om contrasten in complementaire kleuren te beschrijven en te verklaren.

En hetzelfde verhaal.

Complementaire kleuren . De kleurencirkel van Newton vereist impliciet dat elke spectrale tint een enkele spectrale tegenpool (of een mengsel van twee tegengestelde spectrale tinten) heeft waarmee deze kan worden gecombineerd om wit licht te creëren.

Newton formuleerde deze regel niet definitief, omdat hij met de brede spectrale banden die hij met zijn prisma's kon isoleren, geen consistente witte mengsels kon produceren. De regel werd echter logisch afgeleid van zijn kleurencirkel door de Duitse natuurkundige Hermann Grassmann in 1853 als een van de basisprincipes voor kleurmenging, bekend als de wetten van Grassmann, die in de jaren 1850 experimenteel werden bevestigd door Helmholtz en Maxwell.

Deze gepaarde tinten worden nu complementaire kleuren genoemd . Ze ontstaan ​​op natuurlijke wijze uit de geometrie van Isaac Newtons kleurencirkel en zijn observatie dat kleuren die tegenover elkaar op de kleurencirkel liggen, bij menging een "zwakke, anonieme" (neutrale) kleur creëren. Ze suggereren dat alle tegenoverliggende kleuren gelijkwaardig zijn, in de zin dat ze allemaal tot dezelfde "kleur" van wit licht kunnen worden gemengd.

Complementaire kleuren markeren ook het punt waarop de kleurwaarneming overgaat in een kleurrelatie. Dit betekent dat een cognitief proces nu ingrijpt in de waarneming op een manier die meer symboliseert dan een simpel kleurcontrast, zoals het verschil tussen rood en geel. Deze illusoire kleurveranderingen zijn zichtbaar als simultane kleurcontrasten . Ze laten zien dat we de wereld niet zien zoals die is, omdat we kleurverschillen zien waar de fysieke stimuli hetzelfde zijn. Alleen de context verandert.

Newton formuleerde de definitie van complementaire kleuren die tot op de dag van vandaag nog steeds wordt gebruikt: twee tinten die, gemengd in de juiste verhoudingen, een neutrale kleur (zuiver wit, grijs of zwart) opleveren .

Als we Newtons basisconcept specificeren in termen van Herings geel/blauw en rood/groen tegenprocessen , dan transformeren we de kleurencirkel in een soort kompas, met vier windrichtingen die de vier kleursensaties vertegenwoordigen die door één kant van elk tegenproces worden geproduceerd. (Voorlopig negeren we het wit/rood-tegenproces dat ons helderheidsvariaties geeft, en concentreren we ons alleen op de tint.)

r/g en y/b tegenprocessen binnen de kleurcirkel

de kleurafmetingen van de tegenstander in de kleurencirkel, en de locatie van Herings unieke kleuren

Hoe bepalen we de exacte complementaire kleur voor een willekeurige kleur? De eenvoudigste manier is om het gewicht of de hoeveelheid van de twee tegenovergestelde processen te bepalen die de gekozen kleur bepalen, en vervolgens de kleur te identificeren die ontstaat als we hetzelfde gewicht toepassen op de tinten van de tegenovergestelde processen.

Als voorbeeld kunnen we beginnen met een geelrode kleur (scharlaken) en vaststellen dat deze kleur kan worden verkregen door een hoeveelheid _{c₁ van} het r - proces en een hoeveelheid c₂ van het y- proces. In dat geval is de complementaire kleur van scharlaken de kleur die wordt geproduceerd door een hoeveelheid c₁ van het g- proces (het tegenovergestelde van rood) en een hoeveelheid _c₂ van het b- _proces (het tegenovergestelde van geel). Dit geeft ons de complementaire kleur van scharlaken: blauwgroen (cyaan).

visuele complementaire kleuren

gedefinieerd door de r/g en y/b tegenwerkende processen

Complementaire kleuren, gedefinieerd in termen van de tegenovergestelde processen, worden visuele complementaire kleuren genoemd omdat hun "mengverhouding tot grijs" wordt bepaald door ons visueel systeem en de menging van licht. Zo zal een monochromatisch (één golflengte) licht dat overeenkomt met onze scharlakenrode tint een "wit" mengsel produceren met een tweede monochromatisch licht dat overeenkomt met onze cyaan.

Nu kunnen we elke complementaire kleurrelatie specificeren met behulp van een van de vier algebraïsche formules:

c ₁ *r = c ₁ *g
c ₁ *r + c ₂ *y ("warm") = c ₁ *g + c ₂ *b ("koel")
c ₁ *y = c ₁ *b
c ₁ *r + c ₂ *b (paars) = c ₁ *g + c ₂ *y (groen)

Ook hier zouden we het w/k-tegenproces moeten specificeren als we de complementaire kleuren willen bepalen op basis van zowel helderheid als tint en verzadiging. Zo worden kleuren gespecificeerd in het Zweedse natuurlijke kleurensysteem .

Laten we twee punten nader bekijken. Hering beweerde dat de hele kleurencirkel verklaard kon worden door binaire mengsels van de vier unieke kleuren, die de 'pure' sensatie vertegenwoordigden die werd geproduceerd door één uiteinde van de tegenovergestelde processen. In feite had Hering zowel gelijk als ongelijk.

Stel je voor dat we het spectrum doorlopen, één monochrome tint per keer, en voor elke golflengte de golflengte van het exacte visuele complement bepalen. (Dit is in werkelijkheid al vele malen gedaan.) Voor bijna alle groene tinten moeten we het visuele complement simuleren door een mengsel van "rode" en "violette" golflengten, maar we kunnen de verhouding van r en b bepalen die nodig is om elke groene tint te neutraliseren, en zo de hele kleurencirkel in kaart brengen.

Nu nemen we een groep mensen met normaal kleurenzicht en vragen we hen de golflengten te kiezen die hun unieke kleuren het beste weergeven. Het diagram laat zien wat we vinden.

de unieke tinten en tegengestelde processen vergeleken

Locatie van de unieke visuele complementaire tinten ( cR , cG en cB ) weergegeven in grijs.

Ten eerste ontdekken we dat de unieke kleuren geen visuele complementen zijn. Als we het gekozen "geel" en "blauw" combineren, krijgen we geen "wit" mengsel, maar een lichtgroen. Als we het unieke "rood" en "groen" op dezelfde manier mengen, krijgen we een lichtgeel.

Met andere woorden, de unieke tinten van Hering definiëren de tegenovergestelde processen niet . Het r- proces lijkt verankerd te zijn in een blauwachtig rood, vergelijkbaar met karmijn. Het g -proces daarentegen is geen echt groen, maar eerder turkoois of tealblauw. Het b- proces bevat een kleine hoeveelheid rood, vergelijkbaar met kobaltblauw. Alleen het y- proces lijkt overeen te komen met de unieke tint. De volgende tabel vat deze verschillen samen als contrasterende verfkleuren.

Het tweede punt is dat taal de slechtste vorm van kleurspecificatie is . De meeste mensen zouden de scharlakenrode tint in het voorbeeld waarschijnlijk een "rode" kleur noemen. De complementaire kleur zou waarschijnlijk een "blauwe" kleur worden genoemd. Dus, simpel gezegd, zou je kunnen stellen dat de visuele complementaire kleur van rood blauw is. Maar we hebben net gezien dat het tegenovergestelde procesgroen meer lijkt op een tealblauw of turkoois, dus zouden we net zo goed kunnen zeggen dat de visuele complementaire kleur van rood turkoois is. Veel mensen noemen magenta echter rood, en de complementaire kleur van magenta is groen: dus hebben we groen als visuele complementaire kleur van rood.

Er zijn talloze pogingen gedaan om een ​​kleurencirkel te ontwikkelen die onze beoordelingen van het waargenomen verschil of contrast tussen kleuren nauwkeurig weergeeft, maar de meeste daarvan zijn ontwikkeld zonder expliciet rekening te houden met de contrasten van de tegenovergestelde kleuren. In al deze kleurencirkels zijn de unieke kleuren geen tegenovergestelde of complementaire kleuren . De namen van de unieke kleuren – rood, geel, groen, blauw – worden echter wel veelvuldig gebruikt in kunstboeken om complementaire kleuren te beschrijven en uit te leggen. Dit leidt tot grote onnauwkeurigheden in de omgang met kleuren.

De complementaire kleurrelaties van negatieve nabeelden worden bepaald door de tegencodering van kleurreceptoren , zoals samengevat in de basisregels van kleurenzien . De eenvoudigste manier om het visuele complement van een kleur te identificeren, is door de positie ervan op de r/g- en y/b-tegencontrasten (of de onderliggende LGN-tegencurven ) om te keren. Dit gebeurt simpelweg door de tekens of polariteit van de tegencodering van de kleur om te keren. Oranje (gecodeerd door het visuele systeem als r+y+) is het complement van blauw (gecodeerd als ry-); middengroen (r-y+) is het complement van roodviolet (r+y-), geel (y+, rg=0) is het complement van blauwviolet (y-, rg=0) ... en zo verder rond de kleurencirkel.

Twee verschillende neurale processen worden gevormd door deze tegenwerkende codering. Het eerste, fotopigmentuitputting en receptoradaptatie , ontstaat doordat langdurige stimulatie van een kegeltje de normale hoeveelheid fotopigment in het kegeltje uitput, waardoor de neurale respons van dat kegeltje op een nieuwe lichtprikkel wordt onderdrukt. Wanneer dit kegeltje vervolgens op een nieuw kleurgebied wordt gericht, is de respons tijdelijk verminderd, waardoor het nieuwe kleurgebied lijkt te zijn ontdaan van de kleur die wordt weergegeven door de output van dat kegeltje. (Dit is ook een mechanisme bij visuele adaptatie .)

Echter, zoals Ewald Hering opmerkte, verschijnen negatieve nabeelden bij lichtniveaus die te laag zijn om receptorbleking te veroorzaken, en zelfs wanneer de ogen gesloten zijn en er geen contrasterende achtergrond is die de receptorbleking zichtbaar maakt. Daarom lijkt een tweede mechanisme, neurale rebound in de visuele banen van de LGN en de visuele cortex , een rol te spelen. Een algemene eigenschap van zenuwcellen is dat ze, na beëindiging van een langdurige stimulatie, "rebounden" naar een tegenovergestelde toestand van inhibitie. Deze effecten veroorzaken veranderingen in het schijnbare gezichtsveld, zelfs in afwezigheid van verdere visuele stimulatie.

Negatieve nabeelden verdringen of maskeren geen volgende beelden in het gezichtsveld, dus in alle gevallen beïnvloedt de achtergrondkleur van het volgende gezichtsveld de waargenomen kleur van de nabeelden. Normaal gesproken bekijk je een nabeeld tegen een grijze of witte achtergrond, wat een onvervormde kleurweergave oplevert. Bekeken tegen een gekleurde achtergrond, zullen het nabeeld en de achtergrondkleur visueel vermengen: een magenta vierkantje produceert een groen negatief nabeeld, maar tegen een diepblauwe achtergrond zal dit groen eruitzien als cyaan of turkooisblauw. Om dit zelf te ervaren, kun je de bovenstaande nabeeldvierkantjes bekijken op verschillende vellen gekleurd papier.

Opeenvolgend kleurcontrast . Subjectieve of psychologische kleureffecten waren in de 18e eeuw een onderwerp van onderzoek, en een van de belangrijkste daarvan waren nabeelden, die Michel-Eugène Chevreul en de meeste moderne kleuronderzoekers aanduiden als opeenvolgend kleurcontrast .

Deze vroege studies leverden tegenstrijdige resultaten op (samengevat door Chevreul), omdat er in feite drie verschillende fysiologische mechanismen betrokken zijn bij opeenvolgende contrasten, en verschillende manieren om de nabeeldervaring te produceren. Elk daarvan produceert een ander visueel effect.

Positieve nabeelden . Positieve nabeelden ontstaan ​​door een korte, intense stimulatie van de kegeltjes in het netvlies. Het effect is het gemakkelijkst te zien 's nachts, in een kamer die verlicht wordt door een enkele, onbedekte gloeilamp. Kijk eerst rechtstreeks naar de gloeilamp en doe het licht dan snel uit. In het donker zal een gloeiend geel of geelgroen beeld van de lamp ontstaan. Andere veelvoorkomende bronnen van positieve nabeelden zijn flitslicht bij fotografie en spiegelende reflecties van zonlicht.

Deze beelden ontstaan ​​door receptor-naontlading . Het intense licht verbruikt tijdelijk een groot deel van het fotopigment in de buitenste segmenten van individuele kegeltjes, wat een langdurige synaptische ontlading (tot wel enkele minuten) van het betreffende kegeltje veroorzaakt, terwijl het fotopigment langzaam wordt aangevuld. Tot die tijd lijkt het positieve nabeeld nieuwe beelden in dat deel van het gezichtsveld te maskeren of te verdringen.

Het fotopigment in de L- kegeltjes wordt iets sneller aangevuld dan het fotopigment in de M- of S -kegeltjes, waardoor de na-ontlading van de L- receptor sneller afneemt. Dit veroorzaakt een ogenschijnlijke verandering in kleur (meestal een verschuiving naar groen of blauw) naarmate het nabeeld verdwijnt.

Negatieve nabeelden . Negatieve nabeelden ontstaan ​​door langdurige, matig intense stimulatie van de kegeltjes. Deze produceren veel complexere en interessantere visuele effecten.

Als eenvoudige demonstratie: kijk 20 seconden naar de witte stip in het gekleurde vierkant links, kijk dan weg naar de zwarte stip rechts. Na een ogenblik (knipperen met je ogen helpt) verschijnt er een vaag nabeeld van de gekleurde vierkanten in beeld – maar de kleuren zijn anders. Welke kleuren zie je?

demonstratie van negatieve nabeelden

Kijk 20 seconden naar het midden van het gekleurde vierkant en
kijk daarna naar de zwarte stip rechts ervan.

Voor de meeste mensen zijn de kleuren in het nabeeld vrijwel exact omgekeerd: het groen wordt magenta, het blauw wordt geel, het magenta wordt groen en het geel wordt blauw. Deze illusiekleuren zijn de visuele complementen van de tinten in het oorspronkelijke beeld. Dit complementaire nabeeld werkt ook voor de meeste andere kleuren: een oranje vierkant produceert een blauw nabeeld, limoengroen een violet, enzovoort, helemaal rond de kleurencirkel van Newton.

Hoewel in dit nabeeldvoorbeeld een overtuigende gele kleur verschijnt, speelt het algehele chromatische contrast van de afbeelding een belangrijke rol in de illusie. Om dit te testen, heb ik in Photoshop een afbeeldingsbestand gemaakt van een vierkant gekleurd vlak tegen een zwarte achtergrond. Nadat ik 20 seconden lang op een punt langs de bovenrand van het vierkant had gefixeerd, werd deze laag verborgen, waardoor plotseling een wit vierkant op een lichtgrijze achtergrond tevoorschijn kwam en daarboven een gekleurd vierkant waarvan de tint, verzadiging en helderheid konden worden aangepast aan de kleur van het nabeeld dat eronder op de witte achtergrond te zien was (diagram, rechts).

Nabeelden werden op deze manier gegenereerd voor stimuluskleuren met intervallen van 30° rond de CIELAB-kleurencirkel, zowel voor stimuluskleuren met maximale verzadiging op een computermonitor als voor stimuluskleuren met dezelfde nuance (gelijke helderheid en verzadiging voor alle tinten). Twee of drie keer bekijken was nodig om een ​​redelijke kleurovereenkomst te verkrijgen. De resultaten worden hieronder weergegeven, waarbij de kleur van het nabeeld tegenover de stimuluskleur staat.

kleuraanpassing van geïsoleerde nabeeldkleuren

Deze demonstratie kent drie opvallende kenmerken:

eenvoudige kleurvergelijkingstest van nabeeldkleuren

(links) stimulusweergave; (rechts) kleuraanpassingsweergave (met grijze rand)

• De verzadiging en helderheid van de stimuluskleuren hebben geen evenredige invloed op de chroma en helderheid van de nabeeldkleuren (binnen deze willekeurige kijkcontext), en de chroma van het nabeeld is laag, in het bereik van C = 20 tot 40. Het belangrijkste effect is de helderheid van het omringende veld; een toename van de veldhelderheid (van zwart naar grijs) veroorzaakt een afname van de chroma en een afname van de helderheidsvariaties in de nabeelden (afbeelding rechts).

• De nabeelden missen een duidelijke gele of oranje tint, maar lijken in plaats daarvan een mengsel van rode, groene en violette nuances. In mijn ervaring verschenen nabeelden die min of meer geel zouden moeten zijn, als afzonderlijke rood- en groengetinte vierkanten die op dezelfde plek zweefden (of een okerkleurig vierkant met rode en groene randen), een effect dat verdwijnt bij overwegend rode of groene nabeelden. Het is alsof het visuele systeem, bij gebrek aan zowel luminantie- als chromatische contrastinformatie, de L- en M -output wel ontvangt, maar deze niet kan combineren tot geel.

• Het nabeeldeffect is niet overal in de kleurencirkel gelijk: een verzadigd blauw geeft geen intens geel nabeeld (op zichzelf bekeken), maar een dof geel kan een relatief verzadigd violet geven; een verzadigd blauwgroen geeft een relatief dof rood, maar een verzadigd rood geeft een intens blauwgroen.

• De L- bijdrage aan het nabeeld lijkt onevenredig groter dan de M- bijdrage, waardoor alle nabeelden die worden geproduceerd door een stimuluskleur van groenblauw tot paars veel roder lijken dan de overeenkomstige visuele complementaire tint van de stimuluskleur.

Het verschil tussen deze twee nabeeldpresentaties geeft aan dat, voor geïsoleerde (niet-gerelateerde) kleuren, de relatieve pigmentverbleking en lokale adaptatie van de L- , M- en S -kegeltjes de dominante rol spelen bij het genereren van nabeeldkleuren, en dat deze verschuivingen zich lijken te manifesteren via chromatische in plaats van luminantiekanalen. Voor meerdere (gerelateerde) kleuren kunnen de tegengestelde dimensies hoger in het visuele systeem een ​​effect uitoefenen dat de verzadiging en het helderheidscontrast van nabeeldkleuren verhoogt, wat een levendige gele sensatie produceert. Geïsoleerde nabeelden schakelen deze integrerende functie op de een of andere manier uit en benadrukken de rode versus groene component.

Nabeelden en kleurenharmonie . Het is belangrijk te vermelden dat het fenomeen van negatieve nabeelden een van de hoekstenen van de 19e-eeuwse kleurentheorie was. Wanneer het oog een gele vlek zag, behield het het beeld van blauw. Dit werd geïnterpreteerd als een fundamentele neiging van het oog om "evenwicht te zoeken" of een kleurcompensatie te maken. Op basis hiervan ontstond het concept van "kleurenharmonie" als een evenwicht tussen deze tegenstellingen.

De verklaring van contrasten op basis van het opponentproces was in de 18e en 19e eeuw niet beschikbaar. Daarom vinden we in plaats daarvan vaak een "ooganimisme" of oogwil, bijvoorbeeld in de bewering van J.W. von Goethe dat complementaire kleurnabeelden ontstaan ​​doordat het oog "volledigheid wil ervaren, zichzelf wil bevredigen".

De onjuiste aanname dat het oog een verlangen of behoefte aan kleurbalans vertoonde, leidde tot de conclusie dat complementaire kleuren de meest harmonieuze (bevredigende) kleurencombinaties zijn die mogelijk zijn. Het feit dat ze elkaar opheffen en grijs vormen, werd gezien als bewijs van de inherente balans. Sterker nog, in de 19e eeuw werd gesuggereerd dat alle kleuren in een perfect harmonieus schilderij, als ze snel achter elkaar zouden worden rondgedraaid als een kleurentol, een volkomen grijze vlek zouden produceren.

Onderdrukking en versterking van nabeelden . Als nabeelden zo gemakkelijk kunnen ontstaan, waarom zien we ze dan niet voortdurend? Het antwoord is dat nabeelden simpelweg worden onderdrukt of overschreven door nieuwe beelden die in het gezichtsveld worden gevormd. Ze kunnen echter wel worden versterkt door een volgend beeld dat lijkt op het eerste.

onderdrukking en versterking van opeenvolgende contrasten

In het bovenstaande voorbeeld zijn de nabeelden van de gekleurde vierkanten duidelijk zichtbaar tegen een grijze achtergrond. Ze verdwijnen tegen een contrasterende gekleurde achtergrond (links), omdat deze het vorige beeld simpelweg overschrijft. Maar het nabeeld wordt versterkt – het verschijnt sneller en helderder – wanneer het wordt bekeken tegen een achtergrondafbeelding van soortgelijke grijze vierkanten (rechts).

Bij een normale visuele ervaring zijn opeenvolgende beelden op het netvlies voldoende verschillend van de voorgaande, waardoor nabeelden geen conflict veroorzaken met wat we op dat moment zien.

Overeenkomstige kleuren . Het feit dat dezelfde kleur er onder verschillende lichtomstandigheden of adaptatie anders uit kan zien, nodigt uit tot het vinden van twee verschillende kleuren die er onder verschillende lichtomstandigheden hetzelfde uitzien, oftewel metameren die door adaptatie ontstaan. Deze worden overeenkomstige kleuren genoemd .

Hoe vergelijk je kleuren vóór en na chromatische adaptatie? Een methode is geheugenmatching: kijkers bestuderen de weergave van kleuren in een kleurenatlas en gebruiken vervolgens geheugenkleuren om de weergave van de adaptatiekleuren te beschrijven. Een tweede methode is binoculaire matching of haploscopische matching, waarbij de kleurstimuli "vóór" en "na" afzonderlijk aan het linker- en rechteroog worden gepresenteerd, zodat ze naast elkaar verschijnen. Een derde methode is het gebruik van prompt kleurmatching tijdens de korte periode van opeenvolgend kleurcontrast.

Een belangrijk punt is dat chromatische adaptatie niet simpelweg een "kleurverschuiving" is, oftewel een verandering in de chromaticiteit van de kleurprikkel. Dat wil zeggen: als een testkleur vóór chromatische adaptatie exact kan worden nagebootst door een mengsel van drie echte "primaire" lichtbronnen, kan de testkleur ná chromatische adaptatie soms niet meer worden nagebootst door welk mengsel van de "primaire" lichtbronnen dan ook, of zelfs door welke fysieke kleurprikkel dan ook.

Het probleem met haploscopische matching kan worden geïllustreerd met een voorbeeld. Het probleem met geheugenmatching kan worden geïllustreerd met een analogie: we veranderen de kleurmatchingstaak in een geografische matchingstaak. Kijkers onthouden eerst een kaart van de VS en gebruiken vervolgens hun geheugen om de staat te benoemen onder "aangepaste" geografische locaties. Het probleem is dat kijkers een staat wel logisch kunnen lokaliseren, maar op die manier geen fundamentele verandering in de kaart kunnen beschrijven.

geïsoleerde nabeeld "kleurcirkel"

Nabeeld met zwarte rand (buitenste cirkel); nabeeld met grijze rand (binnenste cirkel)

De miniatuurafbeelding rechts toont metingen van de menselijke kleurperceptie onder twee getinte lichtbronnen: een blauwachtige "daglicht"-lichtbron, bekend als CIE-lichtbron D65 (voor daglicht met een gecorreleerde kleurtemperatuur van 6500 °K), en een gelige wolfraamgloeilamp (met een gecorreleerde kleurtemperatuur van ongeveer 2860 °K ) , bekend als CIE-lichtbron A.

Kijkers gebruikten geheugenkleuren die ze hadden geleerd door het Munsell-kleurensysteem te bestuderen.

Deze afbeelding is een poging om de kleuren weer te geven ter vergelijking met een achtergrondtint om de kleur van de lichtbron te suggereren.

Kleurveranderingen tijdens chromatische adaptatie

31 Munsell-kleurstalen met een waarde van 5, zoals ze er voor proefpersonen uitzagen onder CIE-lichtbronnen D65 (daglicht, links) en A (gloeilamp met wolfraam, rechts).

Meer tekst A.

voorspelde CIELUV-verschuiving in Munsell-kleurmonsters

waargenomen kleurverschuiving tussen
daglicht (D65, blauw) en gloeilamplicht (C, rood); naar Bartleson (1978)

Meer tekst B.

Een eenvoudig voorbeeld van de onnauwkeurigheid van het berekenen van corresponderende kleuren is te vinden op de website over kleurbeheer van Bruce Lindbloom .

chromatische inductie

Het tweede belangrijke onderzoeksgebied van subjectieve kleurbeleving, dat vooral in de 19e eeuw werd bestudeerd, betreft de gelijktijdige kleurcontrasten die ontstaan ​​wanneer verschillend gekleurde vlakken tegelijkertijd naast elkaar worden bekeken. Deze effecten zijn het gemakkelijkst en meest eenvoudig na te bootsen met alledaagse materialen, en daarom worden ze in veel klassieke boeken over kleurentheorie , van Chevreul tot Albers , uitvoerig beschreven.

Chromatisch contrast . De observatie en verklaring van simultane contrasten in de traditionele kleurentheorie worden verstoord door twee ernstige tekortkomingen.

De eerste experimentele tekortkoming is dat deze effecten traditioneel werden geanalyseerd door bepaalde "kleuren" tegenover andere "kleuren" te plaatsen, zonder de drie kleurvormende eigenschappen – helderheid, verzadiging en tint – als onafhankelijke contrastelementen te beschouwen. Aan deze aanpak lag het vooroordeel ten grondslag dat tint de belangrijkste component van het contrasteffect was. In feite blijkt, wanneer de drie kleurvormende eigenschappen afzonderlijk worden beschouwd, dat tint het minst krachtige visuele contrast van allemaal is .

De tweede, logische denkfout zit in de aanname dat de "spanning" of het "conflict" tussen twee complementaire kleuren vrijwel hetzelfde is als tussen andere kleuren. Zoals we zullen zien, is dit simpelweg niet waar. De veronderstelde fundamentele "spanning" tussen twee kleuren heeft een kwalitatieve impact die sterk afhangt van de specifieke waarden, intensiteiten en tinten, en is zeer gevoelig voor de algehele kleurcontext.

Lichtheid . Het krachtigste voorbeeld van simultaan contrast is de schijnbare verschuiving in lichtheid van identieke vierkanten met een gemiddelde tint, omgeven door een kleur met een donkerdere of lichtere toonwaarde. Als de omringende kleur donkerder is, lijkt het middelste vierkant lichter; als de omringende kleur lichter is, lijkt het middelste vierkant donkerder. (Om deze en soortgelijke illusies te versterken, richt u uw blik op de twee grote vierkanten.)

kleurverschuiving bij gelijktijdig contrast in helderheid

Alle grote en kleine vierkanten hebben dezelfde tint en verzadiging.

Deze illusie wordt normaal gesproken gedemonstreerd met verschillende grijstinten, om de effecten van tint en verzadiging op te heffen. Maar het voorbeeld laat zien dat het ook werkt voor blauwtinten (of elke andere kleur) die precies dezelfde tint en verzadiging hebben, maar sterk verschillen in helderheid.

Binnen elk groot vierkant is de gemiddelde helderheid gebaseerd op de buitenste en binnenste vierkanten. Het contrast wordt rond dit lokale gemiddelde verhoogd, waardoor de schijnbare waarde van de kleinere vierkanten in tegengestelde richting verschuift. Dit betekent ook dat de twee grotere vierkanten beide donkerder lijken dan in andere omstandigheden, omdat ze verschoven zijn om te contrasteren met de witte achtergrond van de pagina.

Deze waardeverschuiving is de gemakkelijkste visuele illusie om op te wekken. Veel mensen zullen zelfs niet geloven dat de twee middelste vierkanten werkelijk dezelfde lichtheid hebben. De illusie is zo krachtig omdat waarde onze visuele ervaring domineert , een feit dat we later zullen bespreken.

Verhelderend effect . Een speciaal geval van helderheidscontrast is het verhelderende effect, dat het schijnbare contrast vergroot tussen twee kleuren met een vergelijkbare helderheid ten opzichte van een omringende helderheidswaarde ertussen.

Het schema rechts toont het basiseffect: het waargenomen helderheidscontrast tussen grijswaarden wordt versterkt rond de gemiddelde helderheid van de achtergrond. Alle lichtere waarden worden iets naar wit toegedrukt en komen overeen met het nominale wit bij de lichtste stap van de schaal; de donkere waarden worden iets naar zwart toegedrukt. Deze verschuiving is het sterkst binnen een halve Munsell-waarde aan weerszijden van de achtergrondwaarde en wordt vervolgens constant voor de rest van de schaal.

het knapperige effect

Het contrast tussen twee gebieden met een iets verschillende helderheid is groter tegen een achtergrond met een helderheidswaarde ertussenin.

In het diagram verschillen de twee rechthoeken enigszins in waarde, maar hebben ze in alle voorbeelden dezelfde waarde. De verschillen zijn echter het best zichtbaar wanneer ze tegen een grijze achtergrond worden weergegeven; bij een witte of bijna zwarte achtergrond zijn deze verschillen minder duidelijk.

Het Bartleson-Breneman-effect . Een verwant effect treedt op in het waargenomen contrast tussen gebieden met verschillende waarden binnen een afbeelding wanneer de afbeelding wordt bekeken tegen een lichte of donkere achtergrond.

Het Bartleson-Breneman-effect is een bekend verschijnsel in beeldvormingsstudies: naarmate de achtergrond donkerder wordt, zorgt de geïnduceerde verlichting in het beeld (de zogenaamde "complexe stimulus") ervoor dat alle waarden lichter lijken; dit heeft echter het grootste effect op de donkerste waarden, waardoor het waardebereik wordt samengedrukt en de stappen tussen grijswaarden kleiner lijken. Tegen een lichte achtergrond zorgt het helderheidscontrast ervoor dat de beeldwaarden donkerder lijken, maar ook hier heeft het effect het grootst op de donkerste waarden, waardoor deze donkerder worden en de stappen tussen grijswaarden groter lijken.

Het Bartleson-Breneman-effect:
een donkere achtergrond comprimeert waarden richting wit en vermindert het schijnbare contrast tussen de verschillende waardestappen.

In dit voorbeeld lijken de waardereeksen aan de linkerkant dichter bij elkaar te liggen omdat de achtergrond of omgeving erg donker is. Aan de rechterkant lijken dezelfde waarden veel meer van elkaar te contrasteren omdat de omgeving relatief licht is. Merk op dat de verandering die hierdoor ontstaat, duidelijker wordt naarmate de waarden donkerder worden.

Aquarelschilders, vooral degenen die hun werk in meerdere lagen verf opbouwen, kennen dit effect maar al te goed. De eerste, lichtgekleurde glazuurlagen op wit papier lijken donkerder en vertonen grotere contrasten dan gewenst. Naarmate het schilderij echter verder wordt opgebouwd en deze eerste lagen worden omgeven door donkerdere vlakken, worden de oorspronkelijke lagen samengedrukt naar de lichtere kant van de waardeschaal. Ze lijken lichter en de kleurverschillen ertussen worden subtieler. Schilders die de eerste lagen zo aanbrengen dat ze "precies goed" afsteken tegen het witte papier, zijn vaak teleurgesteld als ze ontdekken dat ze vervagen en te licht worden zodra er donkerdere tinten aan het schilderij worden toegevoegd.

Wat is het optimale verlichtingsniveau voor de beste algehele gevoeligheid voor reflectieverschillen, bijvoorbeeld in de grijswaarden van een ets, foto of rasterafbeelding? De grafiek (rechtsboven) geeft aan dat dit rond een oppervlaktehelderheid van een paar honderd cd/m² ligt ^. Dit is toevallig de geschatte maximale ("witte") helderheid van een typische computermonitor of de gemiddelde helderheid van een heldere kleurentelevisie, die beide het best te bekijken zijn bij gedempt omgevingslicht. Om vergelijkbare helderheid te verkrijgen van reflecterende oppervlakken, is een omgevingsverlichting van enkele honderden tot 1000 lux nodig – de typische verlichting die wordt gebruikt in veeleisende werkomgevingen zoals micro-elektronica-assemblage of operatiekamers. Zonlicht midden op de dag kan zelfs te fel zijn, zoals u kunt vaststellen door een fotoafdruk met weinig contrast of een licht bevlekt stuk wit papier te bekijken in direct zonlicht, schaduw (dakraam) en binnenverlichting op verschillende tijdstippen van de dag.

Kleurverzadiging . Het op één na sterkste visuele effect is de schijnbare verschuiving in kleurverzadiging van identiek gekleurde vierkanten. In de illustratie zijn de centrale vierkanten matig onverzadigd (kleurverzadiging 55), en de omringende kleuren zijn ofwel dof (kleurverzadiging 30) ofwel intens (kleurverzadiging 100). Alle vierkanten hebben exact dezelfde helderheid (L = 60) en tint (roodviolet).

kleurverschuiving bij gelijktijdig chroma-contrast

Alle grote en kleine vierkanten hebben dezelfde tint en helderheid.

Het verschil in kleurverzadiging alleen al is voldoende om een ​​duidelijke kleurverschuiving te veroorzaken: het kleine vierkantje aan de rechterkant lijkt donkerder en doffer, terwijl het vierkantje aan de linkerkant lichter en intenser lijkt. (Sommige lezers zien mogelijk ook een lichte tintverschuiving, waarbij het vierkantje aan de rechterkant iets blauwer lijkt.)

Deze onverwachte schijnbare waardeverschuivingen – onverwacht omdat de grotere vierkanten exact dezelfde helderheid en tint hebben – treden op doordat het violet aan de rechterkant een helderdere kleur lijkt te hebben. Het oog verwerkt deze informatie in de donkerte die het toeschrijft aan de binnenste vierkanten, omdat waarde en verzadiging vaak door elkaar worden gehaald bij kleurwaarneming.

helderheidsverschuiving bij gelijktijdig kleurcontrast

De binnenste en buitenste vierkanten zijn qua lichtheid op elkaar afgestemd.

Deze verwarring wordt duidelijk als we de centrale, matig verzadigde violette vierkanten vervangen door een puur grijs met een iets lagere helderheid (L = 50) om het contrast tussen de vierkanten links te versterken. Het kleurcontrast tussen de twee buitenste vierkanten veroorzaakt een kleine, gelijktijdige verschuiving in helderheid van de grijze vierkanten, die geen kleur hebben: het vierkant omgeven door het roodviolette met hoge kleur lijkt donkerder dan het vierkant omgeven door het doffe roodviolette, alsof de hogere kleur gelijk staat aan een hogere helderheid. (Richt uw blik nogmaals op de ruimte tussen de twee grote vierkanten om dit effect het duidelijkst te zien.)

verscherpend effect in visuele weergaven

Het schijnbare contrast is het grootst rond de waarde van de achtergrond.

Zoals ik al schreef in mijn recensie van Michel-Eugène Chevreuls Principles of Color Harmony and Contrast , werden de effecten van lichtheid en verzadiging in de schilderkunst vaak door elkaar gehaald in de terminologie en praktijk van de Renaissance tot het begin van de 19e eeuw. Schilders konden zeker het verschil zien tussen intense en doffe kleuren en konden kleuren reproduceren binnen het bereik van hun historische pigmenten; maar veranderingen in verzadiging en lichtheid werden gemanipuleerd door de kleuren te 'breken' met een combinatie van zwarte en witte verf, waardoor zowel de lichtheid als de verzadiging tegelijkertijd veranderden.

U kunt een wazig of trillend effect waarnemen aan de rand tussen de vierkanten met hoge kleurverzadiging en de grijze vierkanten (rechts). Hoewel ik geen onderzoek ken dat dit bevestigt, denk ik dat visuele randdetectie veel minder effectief is bij de grens tussen kleurverzadigingscontrasten dan tussen helderheidscontrasten, vooral als het helderheidscontrast tussen de kleurverschillen klein is (zoals in het bovenstaande voorbeeld). Sterker nog, deze onduidelijke grens lijkt bij te dragen aan het "gloeiende" effect van kleurvlakken met hoge kleurverzadiging.

Helmholtz-Kohlrausch-effect . We kunnen in dit overzicht van helderheidsverschuivingen in kleur het feit betrekken dat een verhoogde chroma de schijnbare kleurhelderheid verhoogt , wat bekend staat als het Helmholtz-Kohlrausch-effect. Dit geldt zowel voor lichtbronnen als voor objectkleuren en is een soort omgekeerde formulering van het Hunt-effect.

Het Helmholtz-Kohlrausch-effect is vooral verwarrend wanneer kunstenaars de helderheid of waarde van twee intense tinten of van een intense en een gedempte kleur met elkaar proberen te vergelijken. Daarom wordt het verder besproken in het hoofdstuk over tint, helderheid en verzadiging .

Ten slotte kan het centrale vierkant worden omringd door kleuren met een contrasterende tint, maar identieke verzadiging en helderheid. Volgens de kleurentheorie zou er een complementaire tintverschuiving moeten optreden. In de praktijk bleek deze tintverschuiving echter moeilijk aan te tonen. Na veel experimenteren vond ik een contrast dat wel lijkt te werken: een kleiner groen vierkant binnen grotere vierkanten van geel en turquoise (alle vierkanten hebben een helderheid van 90 en een verzadiging van 80).

kleurverschuiving in een gelijktijdig kleurcontrast

Alle grote en kleine vierkanten hebben dezelfde kleurverzadiging en helderheid.

Deze kleurverschuivingen kunnen vaak complexe veranderingen in zowel tint als verzadiging met zich meebrengen, maar ze kunnen gemakkelijk worden berekend op een standaard kleurenwiel , volgens de eenvoudige regel van de menging van contrasterende complementen zoals geformuleerd door Michel-Eugène Chevreul : als twee kleuren naast elkaar worden geplaatst, verschuift elke kleur alsof deze gemengd is met het visuele complement van de contrasterende kleur. Zo zou het groene vierkant omringd door geel een kleurverschuiving moeten ondergaan alsof het gemengd is met het visuele complement van geel, oftewel blauwviolet; het groene vierkant in turkoois zou een kleurverschuiving moeten ondergaan alsof het gemengd is met het visuele complement van turkoois, oftewel middenrood. (Zowel het geel als het turkoois zouden een kleurverschuiving ondergaan alsof ze getint zijn met het visuele complement van groen, oftewel paars.)

Helaas zie ik hier geen dergelijke kleurverschuivingen; de middelste vierkantjes lijken mij ongeveer dezelfde tint te hebben. Sterker nog, het kleine groene vierkantje aan de linkerkant lijkt intenser, lichter en iets meer naar geel verschoven – terwijl de kleurentheorie voorspelt dat het minder intens en meer naar blauwviolet zou moeten lijken. Deze kleurverschuiving is wat we zouden verwachten bij een chroma- contrast, en het kan komen doordat de chroma van 80 voldoende is om het geel doffer te laten lijken dan het turquoise, ondanks dat de helderheid van beide kleuren hetzelfde is.

kleurverschuiving in een gelijktijdig kleurcontrast

Alle grote en kleine vierkanten hebben dezelfde kleurverzadiging en helderheid.

Hier is nog een voorbeeld, ditmaal met roodviolet tegen oranje of blauw. In dit voorbeeld lijkt de tint in het oranje vierkant iets blauwer, maar ook hier lijkt het overheersende effect een verschuiving in helderheid of kleurverzadiging te zijn, waardoor het linker vierkant helderder en intenser lijkt dan het rechter.

De moeilijkheid om een ​​op zichzelf staand kleurcontrast te vinden dat werkt, komt voort uit het feit dat de relatie tussen verzadiging en helderheid radicaal verandert van de ene tint naar de andere. Het oog heeft de neiging de helderheid van sommige tinten (dieprood en -blauw) te overschatten en die van andere (geel en groen) te onderschatten. Met al deze factoren tegelijkertijd is het niet eenvoudig om drie contrasterende tinten te vinden die subjectief gelijkgesteld kunnen worden op zowel verzadiging als helderheid. Op enkele uitzonderingen na besteden de meeste boeken over kleurentheorie geen aandacht aan deze onderscheidingen, waardoor je een verkeerd beeld krijgt van de ware aard van visuele contrasten. Maar ik herhaal: tint is de zwakste component van visueel contrast , vergeleken met de impact van helderheid en verzadiging.

Sommige vroege teksten over kleurenfotografie (waaronder die van Michel-Eugène Chevreul en Ogden Rood ) leggen zorgvuldig uit dat deze contrasteffecten zich in bepaalde situaties wel voordoen en in andere niet. (Moderne teksten besteden zelden nog aandacht aan deze subtiliteiten.)

Volgens Rood moet de verschuivingskleur (de kleur in het centrale vierkant, waarvan verwacht wordt dat deze verschuift) onverzadigd en gemiddeld van waarde zijn, en omgeven worden door één sterk verzadigde kleur. Als de verschuivingskleur een hoge chroma heeft of erg licht of erg donker is, wordt de waargenomen verschuiving meestal kleiner. Kleurcontrasten variëren ook afhankelijk van de relatieve kleurafstand tussen de twee contrastkleuren (in dit geval tussen het centrale vierkant en de achtergrond): een grotere kleurafstand zou een grotere kleurverschuiving moeten opleveren.

kleurverschuiving in een gelijktijdig kleurcontrast

De centrale vierkanten hebben een lage verzadiging en een gemiddelde helderheid; de buitenste vierkanten hebben beide een helderheid van 70 en een verzadiging van 90.

Hier is de vorige kleurverschuiving in een "verbeterde" vorm — complementaire achtergrondkleuren en geneutraliseerde centrale vierkanten — zodat u zelf het verschil kunt beoordelen. Ik zie voornamelijk een duidelijk contrast in helderheid of chroma tussen de twee centrale vierkanten, met een kleine kleurverschuiving naar blauw in het vierkant omringd door oranje, en naar geel in het vierkant omringd door blauw. Maar nogmaals, de kleurverschuiving op zich is erg klein. Het lijkt me tekenend voor de onwetendheid en vooringenomenheid die inherent zijn aan de geschriften van Johannes Itten, Faber Birren en andere populaire auteurs over kleurentheorie, dat ze zoveel nadruk leggen op "kleur"-effecten die zo weinig van de tint afhangen.

Chromatische assimilatie . Assimilatie.

kleurconstantie

Het blijkt dat mensen geen kleurconstantie hebben , als dat betekent dat ze kleuren kunnen herkennen of onderscheiden bij een breed scala aan lichtbronnen. In plaats daarvan dringt een rijk systeem van overtuigingen over de wereld – het gedrag van licht, kleuren op verschillende tijdstippen van de dag, herinnerde kleuren van vertrouwde objecten – zich op aan kleurwaarnemingen op een manier die doorgaans onvrijwillig en onbewust is.

Onze kleurervaring lijkt constant, ook al verandert kleur voortdurend, van minuut tot minuut. Of we nu van een computerscherm naar een zonnig raam kijken, vanuit een deuropening de frisse lucht in lopen of zware wolken zien verdwijnen en plaatsmaken voor stralend, vochtig zonlicht, we negeren kleurverandering door het te ervaren als een verandering van licht of context.

Kleur wordt onlosmakelijk verbonden met vorm of belichting. Het condenseert tot fysieke vormen of lost op in licht. Groen wordt gazon en blauw wordt lucht; kleur versmelt met de materiële wereld. Maar kleur moet ook zijn plaats behouden. Het moet nog steeds de principes van verwante kleuren en kleurvereenvoudiging volgen. Als het gazon is, moet het groen gazon blijven, zelfs in de schaduw of wanneer het wordt beschenen door roodachtig licht. Het heeft een visuele identiteit die overeenkomt met zijn kleur onder het beste licht, zelfs wanneer dat licht verandert.

Dit is kleurconstantie . Mensen hebben absoluut geen kleurconstantie in de zin dat "kleuren er altijd hetzelfde uitzien", want anders zouden we niet merken dat het licht veranderd is. Maar we hebben wel kleurconstantie in de specifieke zin van het veranderen of interpreteren van kleurveranderingen als veranderingen in licht – met name als veranderingen in de kleur en intensiteit van de verlichting, of veranderingen veroorzaakt door transparante of filterende media zoals mist, rook of getint glas.

Kleurherkenning is fundamenteel gebaseerd op een reeks ideale kleuren die de status van abstracte concepten hebben: de kleur die wordt opgeroepen wanneer iemand je vraagt ​​je de kleur rood voor te stellen. Ideale kleuren zijn nodig om sensaties te vertalen naar kleurlabels en kleurlabels naar een beslissing of gedrag, maar het zijn geen sensaties en ze hebben een zeer vage relatie met kleurbeleving. Als je je bijvoorbeeld de kleur rood hebt voorgesteld, is het nogal vreemd om gevraagd te worden "hoe fel is die kleur?". En het woord "rood" kan op heel verschillende kleuren van toepassing zijn – een appel, een zonnebrand of een glas wijn.

Daarentegen is aan veel objecten een bepaalde kleur of een reeks kleuren gekoppeld die bijdragen aan de herkenning van het object of het opmerken van een verandering in het uiterlijk of de toestand ervan. Deze kleuren kunnen heel specifiek zijn (de kleur van het haar of de huid van je partner), of juist heel algemeen (de kleur van gras of de kleur van kaas); ze zijn ook afhankelijk van de lichtomstandigheden waaronder ze doorgaans zijn waargenomen. Kleuren zijn niet gekoppeld aan taal, maar aan objectconcepten, waardoor ze vaak niet precies te beschrijven zijn omdat ze niet overeenkomen met de ideale kleurcategorieën van onze taal. Het is heel natuurlijk om te zeggen "hoe fel" de kleur van de zon is, en het is niet ongebruikelijk om de kleur van het ene object te gebruiken om een ​​ander object te beschrijven – een schoolbus kan bijvoorbeeld "de kleur hebben van" een Californische klaproos of een goede cheddar.

De ambiguïteit van beelden . Wanneer kleur de wereld wordt, splitst deze zich op in vier primaire vormen . De eerste en dominante is de omgevingslichtbron of lichtbron . Zonder de lichtbron zou niets anders zichtbaar zijn. Het is bijna altijd het grootste en helderste licht, zelfs als het diffuus, indirect of zwak is. En het is altijd gekleurd, omdat het een unieke spectrale vermogensverdeling heeft.

Maar oppervlakken zijn wat we zien, en oppervlakken kunnen de kleur van de lichtbron veranderen. Licht en oppervlakken mengen zich subtractief, net als verf. Deze menging vertelt ons zowel iets over oppervlakken als over licht, maar ons zicht is zo ontworpen dat het de effecten van de lichtbron zoveel mogelijk negeert. Daarom merken we soms pas dat we in een schemerige ruimte zijn als we proberen te lezen, of merken we pas dat het licht rood is als de zon laag aan de hemel staat. In de meeste natuurlijke omgevingen is de helderheid van oppervlakken aanzienlijk hoger dan die van de lucht, en oppervlakken met een middengrijze helderheid (ongeveer 20% reflectie) bepalen meestal de lichtadaptatie.

bronnen van ambiguïteit in de visuele wereld

Waargenomen kleuren zijn afhankelijk van de kleur van de lichtbron, de oppervlakte- of lokale kleur van objecten en de kleur van eventuele tussenliggende transparante media zoals lucht, glas of chromatische adaptatie.

De derde kleurkwaliteit, het transparante medium , is zowel de eigenschap van lucht als van verstrooiende stoffen zoals water, mist of regen, rook of stof, of kunstmatige materialen zoals glas of plastic. Dit kan de kleuren van oppervlakken onder licht donkerder, witter, iriserend, van tint veranderen of juist versterken, en is doorgaans een eigenschap die we toeschrijven aan de atmosfeer of getint glas.

Er bestaat echter nog een ander soort 'transparant medium', namelijk onze overtuigingen over de constante of blijvende eigenschappen van de wereld, die gewoonlijk geheugenkleur worden genoemd . Evald Hering maakte het verband met gekleurde media expliciet:

Alle objecten die we al kennen uit ervaring, of die we als vertrouwd beschouwen vanwege hun kleur, zien we door de bril van de kleur van het geheugen.  

Een belangrijk onderdeel van dit proces is het negeren van de lichtbron , wat gebeurt wanneer we bewust kunnen waarnemen dat een kleurgebied is veranderd door de kleur van de verlichting of een filter, maar we de kleurverandering kunnen negeren omdat (1) de kleurverandering globaal en constant is, en (2) de oppervlaktekleur, of de kleurverandering in context, ons bekend is.

Een kubus van tegels, bekeken onder gesimuleerd geel of violet licht, of achter een geel of violet transparant medium; dezelfde grijze kleur kan eruitzien als een gele of een blauwe tegel, en verschillende oranje en paarse kleuren kunnen eruitzien als dezelfde rode tegel (bewerkt naar de website van Dale Purves en naar American Scientist, mei-juni 2002).

Hier zitten een aantal opmerkelijke aspecten aan. We raken meteen overtuigd van de "echte" kleuren van de kubus, ook al weten we dat de kleuren vervormd zijn en hebben we de kubus nog nooit eerder gezien. We zijn ons volledig bewust van de sterke algehele tint, maar negeren die. En onze daadwerkelijke zintuiglijke waarnemingen spreken onze kleurinterpretatie tegen: we zien "hetzelfde rood" in tegels die oranje of paars zijn. Sterker nog, verbazingwekkend genoeg zien we "verschillend geel of blauw" in tegels die een identieke, volkomen neutrale grijze kleur hebben! Het lijkt onmogelijk, maar het is echt zo.

Als we deze onmogelijke kleurverschuivingen echter in hun algemene onderlinge verhouding in een kleurencirkel plaatsen, met wit in het midden, komt er een patroon naar voren. Het rood, groen en wit zijn allemaal verschoven van geel naar blauw, of van warm naar koel, en het tegenovergestelde geel en blauw hebben een radicaal toe- of afgenomen in verzadiging.

Kleurveranderingen tijdens chromatische adaptatie

We negeren dus de lokale kleurveranderingen omdat ze een eenvoudig schema volgen: kleuren langs het pad van de kleurverschuiving veranderen in verzadiging, terwijl kleuren aan weerszijden ervan veranderen in tint. Dit is het algemene patroon van een kleurverschuiving van een lichtbron en wordt elke dag veroorzaakt door de fasen van daglicht, van zonsopgang tot middag tot zonsondergang.

Even krachtige misleiding treedt op wanneer het belangrijkste contrast in de belichting zit. Het voorbeeld rechts toont een kubus bedekt met gele stippen, met een blauwe stip in het midden van elk vlak. Opmerkelijk is dat de blauwe stippen in de afbeelding een identieke helderheid en verzadiging hebben, terwijl de contrasterende waarden van de kubusvlakken ervoor zorgen dat de stip op de donkere kant lichtgevend lijkt en op de lichte kant bijna zwart. Ondanks deze sterke schijnbare verschillen is de helderheid van elke blauwe stip hetzelfde, zoals u kunt bevestigen door de afbeelding in een beeldbewerkingsprogramma te openen en de stipwaarden met een kleurenpicker te meten.

Dit zijn veranderingen in licht die voortkomen uit de intensiteit en richting van het licht , waarvan we de kleureffecten ook duidelijk zien en negeren. Ze worden geïnterpreteerd in de vorm van objecten en hun vermogen om licht te blokkeren. Kleurconstantie heeft dus vooral betrekking op de kleur- en schaduweffecten van verlichting.

Het door Purves gekozen voorbeeld is tot op zekere hoogte een vorm van drogredenering, omdat de herkenning van kleuren het meest accuraat is wanneer ze verschoven zijn langs de y/b-tegenfunctie. Het onderstaande voorbeeld toont dezelfde kubus onder gesimuleerde magenta- of cyaanverlichting, wat een significant ander effect heeft.

kleurverandering tussen magenta en groene lichtbron

Waargenomen kleuren onder gesimuleerde verlichting met een sterke magenta- of cyaankleur (gedeeltelijk verduisterde "witte" afbeelding ter referentie)

De magenta verlichte kubus behoudt opmerkelijk genoeg de kleurcontrasten en maakt sommige kleuren chromatischer. Het zorgt er ook voor dat de kleuren meer gelijk in helderheid zijn, waardoor de contrasten in waarde vervagen. De cyaan verlichte kubus maakt kleuren donkerder of lichter op een manier die de contrasten in waarde vergroot, maar de kleurverschillen vervaagt: groen, geel en wit, of blauw, bruin en rood, lijken nu op elkaar.

kleur verandert onder verschillende lichtbronnen

Ook een eenvoudige weergave van de contrasten met een kleurencirkel laat dit effect zien. Over het algemeen is groen een lichtbron die de waarde versterkt , waardoor de tinten vervormd worden maar het contrast tussen licht en donker sterker wordt, terwijl magenta een lichtbron is die de tint versterkt , waardoor de verhoudingen tussen de waarden vervormd worden maar de tintverschillen relatief onveranderd blijven.

richtlijnen voor schilders

Richtlijnen voor schilders.

Kwalitatieve contrastverschillen . Als we ons oordeel gebruiken en schilderkleuren vergelijken op basis van verzadiging en helderheid, evenals tint, dan kan het naast elkaar plaatsen van visueel complementaire kleuren een zeer krachtige spanning creëren binnen een ingewikkeld patroon of tussen grote kleurvlakken. Vooral patrooncontrasten produceren vaak een soort kleurtrilling of energie tussen de twee kleuren, met name op de grens tussen twee intense kleuren die relatief gelijk van waarde zijn.

Suggesties voor schilders . Het vertalen van de kleuren van de schemering of de nacht naar een schilderij dat wordt bekeken bij galerieverlichting is een complexe opgave.

Een donkere achtergrond of passe-partout en een donkere lijst zijn essentieel, omdat ze het contrast van het beeld verminderen. Het schilderij moet in gedempt licht hangen, zodanig dat de donkerste kleurverschillen nauwelijks zichtbaar zijn.

Kleurenzicht is nooit puur achromatisch, dus een nachtschilderij in puur zwart-wit lijkt kleurloos. Het is gebruikelijk om nachtscènes weer te geven met een donkerblauwviolette lucht, zeer donkere silhouetten van objecten en een diepgele gloed die uit ramen schijnt, gezien vanaf de buitenkant. Kleuronderzoek wijst uit dat de scotopische tint die over alle kleuren valt, waarschijnlijk het best kan worden weergegeven als een zeer doffe cyaan of hemelsblauwe tint. De trezona-primaire kleuren suggereren echter dat magenta, diepblauw en groen, met een zeer lage verzadiging en contrast, de basis vormen van een scotopisch kleurenpalet.

Warme grijstinten of bruintinten moeten worden gebruikt om rode of oranje objecten weer te geven, donkerblauwgroen voor groen en blauw, en een rozeachtig grijs voor geel, oker en geelgroen. Het contrast in helderheid tussen lichte en donkere kleuren moet minstens gehalveerd worden, en de lichtste oppervlaktekleuren moeten een midden- tot lichtgrijs lijken. Wit en lichte kleuren moeten meer contrast hebben met zwart en donkere kleuren dan bij daglicht – door het aantal tussenliggende grijstinten te verminderen. Donkerpaars moet dezelfde helderheid hebben als zwart.

Scènes die mesopische helderheidsniveaus weergeven, zoals de schemering, zouden ongeveer het normale kleurenspectrum moeten weergeven, maar met een afwijking volgens de hierboven beschreven kleurverschuivingen . Rode tinten blijven relatief prominenter tot vlak bij de lage mesopische drempel. Alle gele en geelgroene tinten veranderen in oker net onder de bovenste mesopische grens, waar oranje, rood en magenta iets helderder lijken en wit een delicate roze tint krijgt.

Voor landschapsschilders is het zeer nuttig om de mesopische en scoptopische kleurveranderingen in een reeks kleurstalen, kleurenfoto's of tijdschriftafbeeldingen van landschappen te bestuderen, om zo de kleurverschuivingen te onthouden die nodig zijn om in verfmengsels vast te leggen. De balans tussen groen en magenta is vaak belangrijk bij de kleurkeuze en kleurharmonieën om zowel duisternis als sfeer weer te geven.

Lichteffecten in de schilderkunst . Schilders zijn vooral bekend met deze effecten bij landschapsverlichting. Het voorbeeld a is bekend bij backpackers, die de toegenomen helderheid van een wit shirt tegen een grijze rotswand opmerken wanneer het zonlicht na een storm doorbreekt. (Thomas Girtin legde een vergelijkbaar effect vast in zijn schilderij 'White House at Chelsea' .) Het tegenovergestelde effect komt vaak voor in adobehuizen, waarvan de ramen 's ochtends een vergelijkbare grijze kleur hebben als de muren, maar in het hete middaglicht zwart worden.

Landschapsschilders moeten rekening houden met zowel het Stevens- als het Hunt-effect wanneer ze buiten werken. Het is niet ongebruikelijk om plein air -schilderijen van beginners te zien met relatief donkere, doffe en ingetogen kleuren – en dat de schilders teleurgesteld zijn over het uiterlijk van hun landschappen in het atelier. Wat ging er mis? Het probleem is: ze werden geschilderd in fel buitenlicht! Bij hoge lichtniveaus buiten zorgt het Stevens-effect ervoor dat contrasten in verfwaarden zeer sterk lijken, en het Hunt-effect zorgt ervoor dat de kleuren zeer intens lijken. Om de kleuren van het landschap te evenaren, dempt de schilder zijn verfmengsels. Maar wanneer dezelfde kleuren worden bekeken onder galerieverlichting, lijken ze modderig en donker. Dit probleem heeft vele sporen nagelaten in de landschapstraditie en is vooral duidelijk te zien in de nogal donkere, modderige landschappen van Corot, Pissarro en anderen. Monets beroemde schilderijen van de kathedraal van Rouen, gezien door het raam van een op het noorden gerichte en relatief donkere kamer, waren waarschijnlijk deels een poging om dit probleem te begrijpen en ermee om te gaan.

Om deze problemen te omzeilen, moet de schilder twee trucs leren:

•  De kleur- en helderheidscontrasten overschilderen in vergelijking met de kleurcontrasten die in het landschap voorkomen;

• Maak de algehele toonwaarde of gemiddelde waarde van het schilderij lichter in vergelijking met de helderheid die in het landschap voorkomt.

In hoeverre moeten de waarde, contrasten en chroma worden overdreven? Dit hangt af van het weer, het tijdstip en het landschap, maar over het algemeen is een verhoging van de middenwaarden met een derde (bijvoorbeeld van een middenwaarde 5 naar een lichtere waarde 6,5) en een verhoging van 50% in chroma en helderheidscontrast een betrouwbare basislijn voor daglicht op de meeste heldere dagen. Op bewolkte dagen, of wanneer de zon laag staat, moet de overdrijving worden verminderd.

Wanneer deze "overdreven" werken onder relatief gedempte galerieverlichting worden bekeken, zullen de effecten van Stevens en Hunt de kleuren terugbrengen naar de waarden die de schilder in het landschap wilde vastleggen. Dit is de paradox van de schilder: om het landschap naar binnen te halen, mag je de kleuren van het landschap niet "kopiëren"!

Deze "spanning" of vibratie is echter niet hetzelfde voor alle complementaire kleurcontrasten, zoals de volgende voorbeelden aantonen.

Niet alle complementaire kleurcontrasten zijn gelijk.

Let bij het bestuderen van deze kleurpatronen op vier dingen: de scherpte of afbakening van de overgang tussen de kleuren bij de dunste kleurbanden; de algehele visuele harmonie of het contrast tussen de kleurenparen; het vermogen van de kleuren om een ​​bepaalde belichting of stemming op te roepen; en de relatieve kracht van het contrast om een ​​driedimensionale vorm weer te geven (een gegroefde kolom).

Sommige van de sterkste (en naar mijn mening meest onaangename) kleurcontrasten ontstaan ​​tussen rood en turkoois of magenta en blauwgroen (bovenste en onderste rij, uiterst links), kleuren die zich aan de tegenovergestelde uiteinden van het zeer krachtige rood/groen-tegencontrast bevinden . Dit contrast lijkt ook visueel het meest instabiel, omdat het een soort visuele trilling of vibratie veroorzaakt wanneer de kleuren dicht bij elkaar staan ​​– de reden waarom intense rode en blauwgroene tinten zelden tegenover elkaar worden gebruikt in tekst.

Ter vergelijking: de combinatie van violet en geelgroen (onderste rij, rechts) lijkt visueel veel minder actief en emotioneel stabieler en rustgevender. Natuurlijk licht lijkt opgeroepen te worden door de contrasten met geel of oranje (bovenste rij, rechts en midden). (Zie voor een verdere bespreking van kleurcontrasten en visueel ontwerp de pagina's over volledige kleurenharmonieën en bijna-neutrale kleuren en kleurontwerp .) Principes van chromatische adaptatie . In zijn boek over kleurenleer uit 1879 stelde Ogden Rood een eenvoudige methode voor om deze kleurveranderingen te voorspellen. Deze methode is afgeleid van de meer algemene principes die Michel-Eugène Chevreul uiteenzette en die zijn verwerkt in zijn kleurenhemisfeer.

Je moet allereerst een doelkleur of sleutelkleur identificeren die de bron is van de kleurverschuivingen. Je schildert bijvoorbeeld een bewaker van Buckingham Palace in zijn felrode jas en wilt weten welk effect deze kleur heeft op aangrenzende kleuren in de afbeelding – het gezicht van de bewaker, de gouden epauletten, de bladgroene achtergrond, de blauwe lucht, enzovoort.

Om dit te doen, stel je je voor dat het visuele kleurenwiel verschoven is ten opzichte van de hoofdkleur, langs de tinthoek van de hoofdkleur (de lijn van de hoofdkleur naar het midden van het wiel). Vervolgens interpreteer je de tinten op hun nieuwe posities in het verschoven wiel (weergegeven in lichte kleuren, hieronder) met behulp van het oorspronkelijke wiel als referentiekader. De verschuiving in de kleurposities geeft de tint- en verzadigingsverschuiving aan die zou worden veroorzaakt door een gelijktijdig kleurcontrast. (Merk op dat verschuivingen als gevolg van helderheid niet in aanmerking worden genomen.)

schijnbare kleurverschuivingen bij gelijktijdige kleurcontrasten

Verschuivingen worden weergegeven in contrast met een middelste rode achtergrondkleur.

Deze kleureffecten zijn onder te verdelen in de volgende vier categorieën:

•  Analoge tinten . Kleuren met een vergelijkbare tint als de hoofdkleur vertonen weinig kleurverschuiving, maar lijken minder verzadigd (verschoven naar het midden van de kleurencirkel). Een middenrode kleur zal rood-oranje of magenta doffer doen lijken.

•  Kwadranttinten . Kleuren die zich ongeveer 90 graden aan weerszijden van de hoofdkleur bevinden, vertonen weinig verandering in schijnbare chroma, maar een grote tintverschuiving weg van de hoofdkleur naar de complementaire tint ervan. Een middenrode tint zorgt ervoor dat blauwviolette tinten naar blauw verschuiven en gele tinten naar geelgroen.

•  Triadekleuren . Kleuren die diagonaal tegenover de hoofdkleur liggen, zullen een tintverschuiving ondergaan die verder van rood afwijkt en een toename in chroma vertonen (verplaatsing naar het midden van de kleurencirkel). Een middenrode kleur zal een groen of middenblauw intenser en koeler doen lijken.

•  Complementaire tint . De complementaire tint van de hoofdkleur (turkooisblauw) zal geen kleurverschuiving vertonen, maar zal intenser lijken.

Zo luidt de theorie. In de praktijk is deze berekening echter niet voor alle tinten op de kleurencirkel even nauwkeurig. Neem bijvoorbeeld middengeel, dat al een van de meest intense aquarelkleuren is, en de complementaire tint (dicht bij kobaltblauw) is doorgaans donkerder en relatief dof. Om deze reden zullen de gelijktijdige contrastverschuivingen die optreden wanneer geel naast blauw wordt geplaatst, relatief gedempt zijn, omdat geel qua verzadiging al dicht bij de visuele grens zit. Vergelijkbare complicaties doen zich voor bij dezelfde tint met verschillende waarden of intensiteiten.

Omdat chroma en helderheid zo belangrijk zijn, is het beter om de twee contrasterende kleuren te visualiseren in de driedimensionale CIELAB-kleurruimte . De algemene regel is dan: simultaan contrast zorgt ervoor dat kleuren verder uit elkaar komen te liggen op de L*, a* en b* dimensies . Het verschil in helderheid ( L* ) en chroma tussen kleuren zal altijd toenemen, vooral als hun waarden vergelijkbaar zijn; kleuren zullen dan in tint van elkaar lijken te verschillen. Over het algemeen past het oog zich aan om het perceptuele contrast of het schijnbare bereik van elk aangeboden kleurenspectrum te vergroten , om zo optimaal gebruik te maken van de waarneembare kleurverschillen in de scène.

Een kleurenscherm van een computer is minder effectief in het weergeven van deze kleurverschuivingseffecten dan reflecterende kunstenaarsmaterialen die onder kamerverlichting worden bekeken. Daarom raad ik u aan om zelf complementaire contrastexperimenten uit te voeren met gekleurd papier . Ik heb gemerkt dat gangbaar origamipapier helder gekleurd en gevarieerd genoeg is voor veel interessante kleurcontrastexperimenten; dit papier kan worden gecombineerd met het zwaardere en traditioneel minder verzadigde gekleurde knutselpapier (craft paper). Test altijd verschillende kleurencombinaties of kleurconstructies onder verschillende soorten licht: zonlicht, gloeilampen en tl-licht bieden de meeste variatie.

Conclusies over kleurentheorie . Na geëxperimenteerd te hebben met kleurcontrasten met behulp van zowel computerbeelden als gekleurd papier, ben ik tot de volgende basisconclusies gekomen met betrekking tot simultane contrasteffecten:

• Gelijktijdige contrasteffecten als gevolg van waarde (helderheid) of verzadiging zijn veel sterker en komen vaker voor dan contrasteffecten die alleen door tint worden veroorzaakt.

• De meeste demonstraties van kleurentheorie met gekleurde vierkanten verwarren de eigenschappen van kleurvorming, waarbij kleureffecten worden toegeschreven aan verschillen die primair of volledig worden veroorzaakt door verschillen in helderheid of verzadiging.

• De sterkte van gelijktijdige contrasten is afhankelijk van de tint: het contrast tussen blauwgroen en rood is anders in sterkte en subjectief effect dan het contrast tussen geelgroen en violet.

• Veel hangt af van de visuele context en de gebruikte materialen; simplistische generalisaties uit de kleurentheorie zullen in veel specifieke toepassingen tekortschieten.

De laatste twee punten verdienen extra aandacht. Er wordt niets gewonnen met simplistische, geometrisch symmetrische regels voor kleurencombinaties. Evenmin wordt er iets gewonnen door de unieke effecten te negeren die mogelijk zijn door verschillende tinten te combineren .

Het contrastversterkende gedrag van het oog wijst er onmiskenbaar op dat kunstenaars aandacht moeten besteden aan kleurcontrasten bij het maken van een schilderij. Maar wat hebben we precies geërfd van de traditionele kleurentheorie? Zoals uitgelegd in het hoofdstuk over Newtons kleurencirkel , leek het fenomeen van complementaire spectrale tinten – kleuren die mengen tot wit – een objectieve "kleurlogica" te bieden die kleurrelaties kon verduidelijken na eeuwen van kleurverwarring. Deze contrasten verschenen ook spontaan in zorgvuldig gecreëerde simultane contrastpatronen, in opeenvolgende contrasten of nabeelden, en in chromatische adaptatie , waardoor hun effect aantoonbaar significant was. Dit alles droeg ertoe bij dat complementaire kleurcontrasten een vaststaand idee werden voor 19e-eeuwse "kleurentheoretici" en hun Bauhaus-navolgers.

Meer dan een eeuw later kunnen we ons afvragen: in hoeverre is die nadruk terecht? Mijns inziens lijkt de fixatie op complementaire kleurcontrasten boven alle andere kleurcontrasten misplaatst en overdreven. We hoeven niet langer in paniek te raken door kleurverwarring of onze toevlucht te nemen tot simplistische geometrische contrasten om kleurideeën te ontwikkelen. Deze ideeën zouden ons er nooit van moeten weerhouden om daadwerkelijk naar kleur te kijken en de impact ervan te beoordelen – bijvoorbeeld, een meer algemeen patroon van kleurenharmonie komt tot uiting in triadische tinten die ongeveer een derde van de omtrek van de kleurencirkel van elkaar verwijderd zijn. En tot slot, in echte schilderijen kunnen deze gelijktijdige contrastverschuivingen in tint, verzadiging of helderheid gemakkelijk worden geneutraliseerd door aanpassingen in de verfmengeling en door de algehele kleurcontext.

Kortom: laat de dogma's van de kleurentheorie los en ervaar kleureffecten zonder vooroordelen. Gelijktijdige kleurcontrasten duiden niet op visuele vooroordelen die gecompenseerd moeten worden, of op regels waaraan voldaan moet worden: ze tonen slechts één van de vele aspecten van kleur die gebruikt kunnen worden om een ​​reeds effectief ontwerp te versterken .

Boeken die op een intelligente manier ingaan op kleurontwerp zijn moeilijk te vinden. Wucius Wongs Principles of Color Design (John Wiley & Sons, 1997) is een van de meest complete, met een bespreking van elektronische (computer)ontwerpvraagstukken. Het boek lijdt echter onder de vasthoudendheid aan de traditionele kleurwijsheid, waarvan ik zojuist heb aangetoond dat het een ontoereikende benadering is voor kleureffecten.

VOLGENDE:   additieve en subtractieve kleurmenging

Laatst herzien 08.1.2015 • © 2015 Bruce MacEvoy