Физиология цвета. Как мы видим цвета под водой

Мир вокруг нас наполнен электромагнитными колебаниями и волнами. При этом длина волны электромагнитного спектра варьируется от нанометров (нм) до километров (км) (один метр равен миллиарду нанометров). Человеческий глаз способен различить лишь небольшой диапазон волн длиной от 400 до 800 нм - видимый свет. Из всего электромагнитного излучения только волны этого диапазона способны распространяться под водой.

Ниже представлен краткий обзор основных принципов работы человеческого зрения.

Изображение окружающего мира проецируется роговицей и хрусталиком на внутреннюю поверхность задней стенки глазного яблока. Эта поверхность, являющаяся, по сути, частью головного мозга, покрыта тонким слоем нервной ткани - сетчаткой. На поверхности сетчатки плотно расположено около 200 миллионов мельчайших световоспринимающих рецепторов. Существует два вида фоторецепторов: полочки и колбочки, каждый из которых независимо измеряет количество поглощенного света и реагирует, генерируя нервные импульсы.

Интенсивность нервного импульса зависит от количества света, поглощенного фоторецептором. Яркий свет вызывает сильную реакцию, а тусклый - слабую. Совокупность световых реакций со всех фоторецепторов сетчатки соответствует спроецированному изображению. Клетки сетчатки преобразовывают эту совокупность в нервные импульсы и передают их в высшие мозговые центры, которые «реконструируют» видимый нами мир. Во время этого сложного и до сих пор окончательно не изученного процесса передачи информации, появляется нечто особенное - цвет.

Цвет - лишь игра восприятия, которая создается сетчаткой и зрительным центром мозга для интерпретации окружающего мира. Естественный свет есть ничто иное, как случайная совокупность электромагнитных волн длиной от 400 до 800 нм. Молекулы, называемые пигментами, поглощают волны одной длины и отражают все остальные. Таким образом, отраженный свет отличается от изначального тем, что в нем нет волн, поглощенных пигментами. Мы воспринимаем окружающий свет, как бесцветный - белый, в то время как видимые нами цвета - ни что иное, как тот же свет, но с другими спектральными характеристиками.

Восприятие цвета обеспечивается фоторецепторами-колбочками. Существует три типа колбочек, отличающихся по содержащемуся в них светопоглощающему пигменту. Каждый тип колбочек имеет собственный спектр действия, который определяет его чувствительность к световым волнам разной длины. Спектры действия трех видов колбочек человеческой сетчатки отображены на графике. Синяя, фиолетовая и красная кривые отражают выраженность реакции фоторецепторов на свет постоянной силы, но различной длины волны. Например, в то время, как рецептор типа В максимально чувствителен к волнам длиной 450 нм, остальные рецепторы только начинают реагировать. Колбочки типов R и G максимально чувствительны к волнам с длинами 560 и 550 нм соответственно.

Из вышесказанного можно сделать важный вывод: одинаковый уровень реакции определенной колбочки может быть достигнут как при воздействии света относительно низкой яркости при высокой чувствительности, так и при повышенной яркости, но с большей или меньшей длиной световой волны. Таким образом, для рецептора не имеет значения, воспринимает ли он неяркий свет на пике своей чувствительности или свет высокой яркости при низком уровне чувствительности. Одно колбочка не способна различать цвета, в то время как все три вида, реагируя совместно, позволяют зрительному центру находить различие между яркостью и цветом.

Например: все три типа рецепторов способны реагировать на световые волны длиной 500 нм. Колбочки типа G - сильнее, R и В - слабее. R и В реагируют одинаково. Свет, вызывающий во всех трех типах колбочек данную конкретную реакцию, мы воспринимаем как зеленый. Не имеет значения, был ли это свет со строго одинаковой длиной волны (монохроматический сеет), или это была разнородная комбинация света с различными длинами волн и яркостью. Единственный значимый фактор - уровень реакции, вызываемый этим светом во всех трех типах рецепторов. При воздействии монохроматического света зрительная система воспринимает световые волны длиной 400 нм как фиолетовые, 450 нм - синие, 500 нм - зеленые, 550 нм - желтые, 600 нм - оранжевые, 650 нм - красные. Те же самые цвета образуются в результате воздействия бессчетного множества комбинаций различных длин волн и яркости.

Другой приспособительной функцией человеческого зрения является выборочная адаптация - способность человеческого зрения подстраиваться к условиям окружающей среды таким образом, чтобы воспринимать окружающий свет как белый. Выборочная адаптация позволяет нам, находясь в комнате, видеть одни и те же цвета вне зависимости от того, освещена ли она естественным светом через окно или искусственным - настольной лампой. Дневной свет и свет от лампы накаливания имеет разные волновые характеристики и разный цвет, однако, наши глаза видят освещаемый объект в одинаковом цвете.

Если вы возьмете цифровой фотоаппарат и сделаете снимок в комнате, освещенной лампой накаливания, вы увидите разницу, которую привносит спектральная композиция окружающего света. Настроив камеру на работу при дневном свете, вы получите желто-красные фотографии потому, что белый цвет будет восприниматься камерой таким, каким он виден при дневном освещении. Настроившись же на искусственный свет, вы получите правильные цвета. Если же вы попробуете снимать на улице фотокамерой, настроенной на искусственный свет, ваши фотографии получатся неестественно синими.

А теперь установите камеру в автоматический режим. Когда вы это сделаете, белый цвет на снимках останется белым вне зависимости от волновых характеристик окружающего света (естественно, это зависит от возможностей вашей камеры). Для человеческого глаза автоматическая балансировка цвета - обычное дело.

Несмотря на то, что доминирующим цветом в глубокой воде является синий, приборы фиксируют следы света длиной 650 нм (красный) на глубинах до 50 метров/165 футов. Во время погружения выборочная адаптация повышает чувствительность нашего зрения к волнам большой длины (красный цвет) и понижает чувствительность к коротким волнам (синий цвет). Мы воспринимаем окружающий свет как бесцветный (белый) даже при относительно глубоких погружениях, что позволяет нам различать цвета даже на больших глубинах. При тех же условиях ваша цифровая камера, будучи настроенной на работу при дневном освещении, адаптироваться не может, и фотографии, полученные на глубине, кажутся нам на поверхности неестественно синими. Чтобы улучшить качество Ваших фотографий, вы можете использовать функцию баланса белого, однако в глубокой воде добиться того, чтобы цвета на фотографии выглядели такими же, как вы их видите вживую, можно только с использованием вспышки. Так происходит потому, что наша естественная система балансировки цвета намного более гибкая и совершенная, нежели те, что применяются даже в самых лучших цифровых камерах.