Глава 2. Цвет, глаз и мозг

Трехкомпонентная теория цвета была впервые высказана великим русским ученым Ломоносовым в его «Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющем, июля 1 дня 1756 г. говоренном» и затем развита Юнгом, Гельмгольцем, Лазаревым[3, C. 114]. В историю, впрочем, эта система взглядов вошла как теория Юнга-Гельмгольца.

Томас Юнг в 1802 году предположил, что для восприятия всего богатства цветов и оттенков необходимо и достаточно иметь три типа цветовоспринимающих рецепторов. Тем самым был выдвинут постулат: всю цветовую гамму можно составить из трех цветов, достаточно далеко отстоящих друг от друга в спектре. Такой же теории придерживался и Гельмгольц. При этом ни Юнг, ни Гельмгольц, ни тем более Ломоносов не могли подтвердить это положение на практике, поскольку изучение сетчатки стало возможным только много лет спустя. Это их чисто логическое умозаключение было блестяще подтверждено уже в ХХ столетии. В 1959 году Джордж Уолт и Пол Браун в Гарварде и Эдвард Мак-Никол и Уильям Маркс в Университете Джона Гопкинса обнаружили в сетчатке глаза три и только три типа колбочек – то есть рецепторов, способных воспринимать цвет [50, C.176].

Но концепция Юнга-Гельмгольца объясняла далеко не все факты. Так, она совершенно не освещала такой важный момент, как восприятие цветов различной насыщенности. Для восприятия ахроматических цветов (черный, белый, серый) требовалась некоторая отдельная система. Это и вызвало к жизни трехоппонентную систему цветовосприятия Эвальда Геринга. Согласно взглядам этого ученого, зрительный анализатор содержит три совместно функционирующие и в то же время независимые оппонентные системы: одна для восприятия красного и зеленого, другая - для восприятия желтого и синего, и третья, отдельная - для восприятия белого и черного.

Кстати сказать, эта теория объясняет, почему в солнечном спектре нет коричневого цвета. В действительности он там есть; просто это – затемненный оранжевый цвет (Рис. III).

Получилось, что возник спор между двумя теориями, и обе они были построены умозрительно. Мы уже знаем, что теория Юнга-Гельмгольца была подтверждена. Но и три оппонентные системы, о существовании которых говорил Эвальд Геринг, тоже существуют. Эти системы, через много лет, были действительно обнаружены - но только не на уровне сетчатки глаза, а на следующем уровне. Из сетчатки глаза информация по зрительному нерву (а дальше – по зрительному тракту) передается в наружное коленчатое тело головного мозга, а уже оттуда – и в первичную зрительную кору (Рис. 2):

Сетчатка Зрительный Зрительный Зрительный Наружное Первичная

глаз нерв перекрест тракт коленчатое зрительная

тело кора

Рис. 2. Путь информации в зрительном анализаторе.

Таким образом, после сетчатки глаза, следующий пункт обработки информации находится в клетках наружного коленчатого тела головного мозга. В 1958 году Рассел де Валуа обнаружил в наружном коленчатом теле три типа клеток; один реагировал на изменения в зелено-красном диапазоне, причем на освещение сетчатки одновременно зеленым к красным цветом эти клетки не давали никакой реакции; другие подобным же образом отзывались на освещение сетчатки синим и желтым светом (точнее сказать - не сетчатки вообще, а только того ее небольшого участка, который поставляет для данной клетки информацию и называется ее рецептивным полем). Третья разновидность клеток оказалась широкополосной; эти клетки реагировали на освещение сетчатки светом с любой длиной волны, отзываясь только на его большую или меньшую интенсивность. Все три типа колбочек оказывали на них одинаковое воздействие. На эту третью разновидность клеток оказывают влияние и ахроматические цвета – белый, серый и т.п. Поэтому мы можем сказать, что теория Геринга, так же как и теория Юнга-Гельмгольца, полностью подтвердилась. Более того, эта две долгое время конкурировавшие между собою теории стали прекрасным дополнением друг для друга.

Читатель может поинтересоваться, каким образом эти теории связаны с эмоциональным воздействием произведений искусства, и зачем автор вообще упоминает о них, раз эта связь неясна. Но не будем торопиться с выводами.

Прежде всего примем положение, согласно которому эмоциональное воздействие изображения связано с восприятием некоторой содержащейся в этом изображении информации. В связи с этим возникает вопрос, какой именно фактор изображения является основным поставщиком этой информации. Выяснить же это возможно только в том случае, если мы будем отчетливо представлять себе, каким именно образом в процессе восприятия передается и расшифровывается информация от зрительных рецепторов.

По первому впечатлению от изложенных здесь теорий может показаться, что таким основным поставщиком информации является цвет. Действительно, дело как будто выглядит так, что «красно-зеленые» и «сине-желтые» клетки наружного коленчатого тела передают в кору головного мозга львиную долю информации, и эта информация всецело посвящена цвету. О наличии же тех или иных изменений насыщенности цвета, то есть о характере форм, контуров и т.д. «сообщают» одни только широкополосные клетки, которых только около 15% от всего числа. Но на самом деле это не так. А почему это не так, будет ясно из дальнейших рассуждений.

Мы вполне осмысленно воспринимаем черно-белые фотографии и черно-белые фильмы, что говорит как будто в пользу того, что форма адекватно воспринимается и без посредства цвета. Есть к тому же сведения и о том, что те эволюционные механизмы, которые привели к появлению у человека цветовосприятия, в значительной мере актуальность свою утратили. Дэвид Хьюбел, нобелевский лауреат, посвятивший многие годы изучению цветовых реакций, в своей книге замечает: «У людей давление отбора, направленное на сохранение или улучшение цветового зрения, видимо, ослабевает, судя по тому, что 7 или 8 процентов мужчин частично или полностью лишены цветового зрения, но отлично без него обходятся, причем этот дефект часто долгие годы остается незамеченным и выявляется лишь после того, как за рулем они проедут на красный свет... При слабом освещении мы все в цветовом отношении слепы» [50, С.167].

Например, химик Дальтон, по имени которого цветовая слепота была названа дальтонизмом, не знал о своей цветовой слепоте до 26 лет. Обычно объясняется это тем, что страдающие недостатком цветового зрения с детства учатся называть цвета реальных предметов обозначениями, применяемыми всеми окружающими (в подавляющем большинстве с нормальным цветовым зрением) в разговорной речи. Кроме того, у цветнослепых сохраняется способность различать цвета по их яркости и насыщенности.

Следует также сказать, что ненормальность цветового зрения, являясь непреодолимым препятствием на пути творчества художника-живописца, не влияет заметным образом на работу художника-графика или скульптора. Подтверждением этого является деятельность профессионалов художников-цветнослепых, работающих в графике. Широко известны работы цветнослепого художника Вильгельма Каульбаха[3, С. 114]. В работе художника-графика цвет порой не только не полезен, но и попросту не нужен(Рис. IV).

Макс Люшер описывает последовательность развития зрительных реакций у ребенка: «Способность «видеть» у ребенка проявляется в том, что сначала ребенок различает контрасты: «яркое» и «темное». Затем он начинает воспринимать движение, после этого - очертания и форму. И самый последний этап развития - способность различать цвет. Таким образом, способность отмечать контрасты является самым древним видом зрения»[32, С.21].

Чтобы понимать, что такое контрасты, нам нужно поговорить об оптической плотности изображения, или об альбедо изобразительной поверхности. Напомним, что альбедо есть физический термин, обозначающий соотношение между количеством отраженного поверхностью светом и всем упавшим на нее светом. Если альбедо поверхности составляет 0,5, то это значит, что поверхность эта отражает лишь 50% упавшего на него света, а остальное поглощает.

Альбедо имеет весьма большое значение; вернее сказать, что важно не альбедо само по себе, а его различия и изменения. В самом деле, поглядев на черно-белую репродукцию любой многоцветной картины, мы великолепно определяем то, что на ней изображено, быть может только с некоторыми незначительными погрешностями (Рис. V). Существуют, впрочем, изображения, составленные из различных цветов с одинаковой светлотой; в черно-белой репродукции они выглядели бы сплошной серой поверхностью. Но до чего неприятно и тяжело, до чего утомительно разглядывать эти изображения! Недаром используются они для проверки цветового зрения водителей - и больше нигде не применяются (Рис. VI). Даже в произведении самого ярого колориста мы найдем большие различия оптических плотностей. Понятно, что художник, который взялся бы рисовать картины в этакой «усредненной» манере, рисковал бы остаться без поклонников. Между тем созерцание черно-белых картин не вызывает у нас дискомфорта.

Чем же вызвано такое положение дел? Очевидно, ответ следует искать в психофизиологии сенсорных систем.

Эволюционно сложилось так, что предмето- и цветовоспринимающие системы человеческого мозга (а сетчатка – это, в сущности, часть мозга, вынесенная на периферию) разобщены - функционально, а в известной мере и анатомически. Так, например, дефекты предметного восприятия возникают при поражении задневисочных отделов коры головного мозга, а дефекты цветового восприятия - при поражении затылочных долей (там, где находится первичная зрительная кора). Это связано с тем, что цвет - лишь частный аспект, и притом необязательный, в структуре предметного зрения. Потому дефекты восприятия цветов и возникают при поражении нижележащих, а дефекты восприятия предметов - при поражении вышележащих в «мозговой иерархии» отделов.

Мало того. Разобщение цветового и монохроматического зрения происходит у человека уже на уровне сетчатки глаза. Так, всем известно, что в сетчатке человеческого глаза содержатся рецепторы двух разновидностей: палочки и колбочки. Палочки не различают цветов и отвечают за зрение в сумерках. Колбочки не работают при слабом освещении, а при достаточно сильном – различают цвета. Менее известно (по крайней мере широкой публике), что колбочек как раз больше всего ближе к заднему полюсу сетчатки, куда и проецируется изображение, когда человек его внимательно разглядывает; центральная ямка сетчатки - зона наиболее ясного видения, куда мы и стремимся поместить отображение заинтересовавшего нас объекта, сплошь выстлана одними лишь колбочками. При поверхностном взгляде на дело может показаться, что это как раз свидетельствует о доминировании цветового, а не «черно-белого» зрения. Так ли это?

Если даже мы оставим в покое вопрос о палочках, которые ответственны большей частью за сумеречное зрение, и будем говорить только лишь о колбочках, восприимчивых к цвету - вырисовывается весьма интересная картина. Нужно сказать, что наиболее хорошо к доступно эта картина изложена в великолепной работе Дэвида Хьюбела, которому мы и дадим сейчас слово.

«Пигменты колбочек трех типов имеют пики поглощения в области 430, 530 и 560 нм; поэтому разные колбочки несколько неточно называют «синими», «зелеными» и «красными». Неточность состоит в том, что

1. эти названия отражают максимумы чувствительности, а не то, как эти пигменты выглядели бы, если бы на них можно было посмотреть;

2. монохроматический свет с длинами волн 430, 530 и 560 нм будет не синим, зеленым и красным, а фиолетовым, сине-зеленым и желто-зеленым...

Три типа колбочек имеют широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием, особенно для красных и зеленых колбочек. Свет с длиной волны 600 нм вызовет наибольшую реакцию красных колбочек, пик чувствительности которых расположен на 560 нм; вероятно, он вызовет также некоторую, хотя и более слабую реакцию колбочек двух других типов. Таким образом, «красная» колбочка реагирует не только на длинноволновый, т.е. красный, свет; она лишь реагирует на него лучше других колбочек. Сказанное относится и к колбочкам других типов» [50, С.171-172].

Читатель, быть может, подметил уже из сказанного интересную закономерность. Наша привычка оперировать с «чистыми спектральными» цветами настолько сильна, что их названия мы «приклеили» даже к колбочкам, которые менее всего заслуживают таких обозначений. Ясно также и то, что корни этой привычки нужно искать в социально-психологических, а не в физиологических моментах. Очевидно, во всяком случае, что названная привычка появилась гораздо раньше, чем возможность изучать солнечный спектр.

Но важно и другое. Какой бы ни была колбочка – «красной», «синей» или «зеленой» - в ее функции наблюдается одна существенная закономерность. Рецептивное поле ее - это определенный небольшой участок зрительного поля, с которого колбочка получает информацию. В свою очередь, группа близкорасположенных колбочек снабжает информацией клетку следующего уровня - биполярную. Эта группа колбочек представляет собой рецептивное поле (РП) биполярной клетки. Заметим притом, что рецептивные поля разных (соседних) биполярных клеток частично перекрываются между собой, и таким образом одна колбочка, как своего рода «двойной агент», может передавать информацию нескольким биполярным клеткам сразу (Рис. 3).

Биполярные клетки

Колбочки

РП биполярной клетки

Рис. 3. Строение сетчатки: колбочки и биполярные клетки.

Для нас существенно то обстоятельство, что рецептивное поле биполярной клетки имеет весьма своеобразную организацию. Оно устроено так, что биполярная клетка может реагировать не на абсолютный уровень освещенности своего рецептивного поля, а только на изменения этого уровня, когда граница света и тени пересекает рецептивное поле.

Биполярные клетки бывают двух разновидностей: on-биполяры и off-биполяры. Но и у той, и у другой разновидности рецептивное поле имеет центр и периферию (Рис. 4):

on off

Рис. 4. Рецептивные поля on- и off- биполяров.

On-биполяр возбуждается тогда и только тогда, когда освещен центр его рецептивного поля, периферия же осталась в тени. Если осветить ему все рецептивное поле целиком, on-биполяр на это вообще никак не отреагирует. Получается, что такая клетка «отвечает» только за восприятие маленьких светлых точек на темном фоне.

Off-биполяр возбуждается в том случае, если освещена только периферия его рецептивного поля, а центр не освещен. Поэтому он реагирует на границу света и тени, если она пересекает его периферию, но не затрагивает центр (Рис. 5А). Если осветить и центр, и периферию, клетка не будет реагировать (Рис. 5Б).

А Б

Рис. 5. Если освещена только периферия рецептивного поля off-биполяра (А), он реагирует. Если освещена и периферия, и центр (Б), биполяр не реагирует.

Нас интересует способность глаза воспринимать окрашенную поверхность. Примем для простоты, что освещенность изобразительной поверхности (как, например, картины в хорошем выставочном зале) всюду одинакова. Следовательно, разница отраженного от разных участков картины светового потока будет зависеть только от их альбедо. Биполярные клетки нашего глаза при этом будут воспринимать не само альбедо, а только разницу альбедо на разных участках изобразительной поверхности. Или, выражаясь обыденным, обиходным языком, не сами более светлые или темные участки, а границы, переходы между ними. Понятно теперь, почему изображения с одинаковой по всему полю светлотой так трудны для восприятия. Мы видели, что спектры поглощения у разных колбочек в значительной степени перекрываются, и один и тот же цвет в изображении воспринимается обыкновенно разными колбочками в разной мере, но в целом – минимум двумя видами колбочек одновременно, а то и всеми тремя. Изображения с одинаковой по всему полю светлотой воспринимаются только за счет улавливания этой разницы чувствительности колбочек, поскольку разница альбедо по всему изображению равна нулю: светоотражающая способность изобразительной поверхности всюду одинакова, различается только длина волны отраженного света. Основной фактор, воздействующий на биполярные клетки, здесь отсутствует. Остается фактор, который приходится считать, при всей его важности, второстепенным: наибольшая чувствительность разных типов колбочек к цвету с разной длиной волны.

Второстепенным этот фактор приходится считать и потому, что в эволюционном ряду, у животных, он проявляется лишь время от времени: у большинства высших животных цветовое зрение совсем отсутствует, а у человека роль его видимым образом снижается. Кошка, например, цветов не видит; но разве у кошки плохое зрение?

Хьюбел пишет: «Сопоставление этих двух модальностей, цвета и формы - вообще может ввести в заблуждение: вспомним, что одни лишь различия цвета на границах в отсутствие каких-либо различий освещенности могут приводить к восприятию формы. Цвет в этом смысле ничем не отличается от черного и белого и служит лишь одним из механизмов проявления формы» [50, С.197].

Добавим от себя, что если развить данное утверждение, получается, что цвет есть лишь другое (кроме альбедо) средство для обозначения и восприятия границ и переходов. Сам по себе цвет без границ, как и свет без границ, представляет собой ненужную, избыточную для нашего мозга информацию.

В зрительном анализаторе выработан ряд механизмов, которые стирают, уничтожают эту лишнюю информацию, отфильтровывают ее. Вот пример.

Обыкновенно поверхность называют белой, если она диффузно отражает около 80% падающего на нее видимого света с любой длиной волны; если она отражает всего 4-5% падающего света, ее называют черной. Белая поверхность предметов сравнительно мало поглощает света и гораздо больше отражает падающего на нее света. Темные предметы, наоборот, много поглощают и очень мало отражают световых лучей. Например, белая бумага отражает 85% падающего света, а черный бархат отражает лишь 0,03%. И не удивительно, что летом и в местностях с жарким климатом излюбленный цвет одежды людей — белый (в белой одежде не так жарко)[3, С.111].

Это понятно? Тогда вот вопрос.

Может ли черное быть белее белого? - спросим читателя. Что за чушь, - ответите вы. Черное - это черное, а белое - это белое... Как же это может быть наоборот?

Может. Все знают, что чернозем очень черный, а вот Луна, сверкающая на небе ослепительным блеском - белая. Сравним-ка альбедо разных тел и веществ: альбедо чернозема 0,15, альбедо песка - 0,3-0,4, а альбедо Луны - всего 0,07... «Белая» Луна оказалась вдвое чернее чернозема! И когда с Луны был доставлен грунт, он оказался угольно-черным.

Вот другой пример. Освещение на улице в ясный солнечный день более чем в 100 раз интенсивнее, нежели в помещении. Это известно каждому фотографу. Это важно, поскольку фотопленка, в отличие от человеческого глаза, объективна и фиксирует реальное, а не кажущееся количество света.

В фотоаппарате есть два механизма, которые регулируют количество света, попавшего на пленку: диафрагма и выдержка. Можно уменьшить количество света, уменьшая (частично перекрывая) отверстие диафрагмы, а можно укоротить (или удлинить) время, на которое открывается затвор; это делается при помощи механизма выдержек.

Обыкновенно значения диафрагмы и выдержки градуируются так, чтобы изменение диафрагмы (или выдержки) на одно деление меняло количество света, упавшего на пленку, в 2 раза.

Значение выдержки и диафрагмы приняты такие (Табл.1):

Таблица 1