Fizyka procesu widzenia

prof. Ryszard Naskręcki

Obecnie coraz bardziej zrozumiałym staje się fakt, że na jakość procesu widzenia ma wpływ szereg różnorodnych czynników, które można powiązać albo z jakością odwzorowania układu optycznego albo z procesem detekcji światła. Przekazywanie informacji wzrokowej jest procesem niezwykle złożonym i pomimo postępu nauki nadal trudnym do fizycznego modelowania. System wzrokowy jest bowiem wieloparametrowym układem detekcyjnym, pozwalającym na odbiór informacji docierającej do oka za pomocą fal elektromagnetycznych (z pewnego wąskiego przedziału długości fali, nazywanego zakresem widzialnym). W procesie detekcji istotne są dwa parametry fali elektromagnetycznej: częstotliwość (energia fotonu) oraz intensywność (ilość fotonów). Energia padającego fotonu determinuje w procesie widzenia chromatyczność (inaczej barwę), która dalej rozpatruje się jako odcień i nasycenie. Natomiast ilość padających fotonów związana jest z jasnością (inaczej natężeniem) światła. W efekcie przekazywanie informacji wizualnych z otoczenia jest możliwe dzięki zdolności różnicowania przez układ wzrokowy jasności i barwy. Należy pamiętać, że parametry te są ze sobą wzajemnie sprzężone i w procesie widzenia nie można ich rozdzielać.

Fotofizyka procesu widzenia wymaga przede wszystkim zrozumienia procesów zachodzących w receptorach wzrokowych. Receptor to struktura mająca zdolność do rozpoznawania stymulacji o naturze fizykochemicznej oraz zdolna do wywołania bezpośrednio, bądź za pośrednictwem innych struktur, reakcji na te stymulacje. Receptory stanowią zwykle białka receptorowe, komórki receptorowe, grupy komórek czy narządy receptorowe. Zatem systemy sensoryczne człowieka to wyspecjalizowane struktury złożone z wielu komórek receptorowych nieustannie poddawanych działaniu ogromnej ilości bodźców. Ich wzajemne porównanie wskazuje na ilościową dominację receptorów wzrokowych – 85% wszystkich receptorów człowieka tworzy zmysł wzroku.

W każdym oku człowieka znajduje się około 126 mln światłoczułych receptorów, w tym około 120 mln pręcików i około 6 mln czopków (różni autorzy podają te liczby z dość dużą rozbieżnością). Jednak rozkład (gęstość powierzchniowa) fotoreceptorów na powierzchni siatkówki nie jest jednorodny i w miejscach o największej gęstości wynosi: dla czopków około 200 000/mm2 a dla pręcików około 160 000/mm2. Czopki występują głównie w dołku środkowym, a pręciki rozmieszczone są przede wszystkim w obszarach perferyjnych siatkówki. Ziarnistość siatkówki determinuje (obok zjawiska dyfrakcji) zdolność rozdzielczą oka. Obraz dwóch rozróżnialnych punktów na siatkówce musi być oddalony co najmniej o odległość większą niż średnica czopka (w obrębie plamki żółtej średnica ta wynosi 6 mikrometrów). Przyjmując ogniskową przedmiotową oka f ≅ 17 mm można oszacować kąt granicznej zdolności rozdzielczej na 0.0003 rad, czyli 1’.kątową. Rozdzielczość 1’ kątowej oznacza zdolność widzenia przedmiotu o wielkości 0.1 mm z odległości 30 cm.

Foton padający na siatkówkę jest więc absorbowany przez jeden z wielu milionów fotoreceptorów. W wyniku przemian fotochemicznych w fotoreceptorach pojawiają się potencjały elektrochemiczne, które odpowiednio kodowane są przesyłane do mózgu, który rozróżnia sygnały od każdego rodzaju fotoreceptora i analizuje ich wzajemny stosunek. Sumaryczne pobudzenie siatkówki oka jest wprost proporcjonalne do natężenia oświetlenia na jej powierzchni, czyli jest proporcjonalne do luminancji powierzchni świecącej (jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy [cd/m2]). Wartość luminancji determinuje trzy podstawowe rodzaje widzenia. O widzeniu dziennym, zwanym także fotopowym mówimy wtedy, gdy luminancja wynosi powyżej 10 cd/m2. Widzenie zmierzchowe, nazywane również mezopowym występuje wtedy, gdy luminancja mieści się w przedziale od 0,005 d 10 cd/m2. Wreszcie widzenie nocne, nazywane również skotopowym zachodzi wówczas, gdy luminancja jest mniejsza niż 0,005 cd/m2. Dla porównania – blask księżyca w pełni ma luminancję około 0.01cd/m2. Badania pokazują, że oko reaguje na szeroki zakres natężenia światła, co najmniej jak 1:105, a najmniejsza ilość energii świetlnej wywołująca wrażenie świetlne wynosi ułamki mikrodżula. Obserwacje pokazują także, że adaptacja oka do warunków oświetlenia nie jest procesem symetrycznym: przy przejściu z ciemności do jasności oko adoptuje się bardzo szybko, natomiast w kierunku odwrotnym, do pełnej adaptacji oka do ciemności potrzebny jest czas około 30 – 40 minut.

W wyniku wzbudzenia pręcików zachodzi fotochemiczna reakcja fotoizomeryzacji retinalu, która prowadzi do powstania „impulsu nerwowego”. Pod wpływem światła forma cis-retinalu przekształca się w formę trans i w ten sposób powstaje lumirodopsyna (opsyna + trans-retinal). Czopki zawierają podobny do rodopsyny barwnik – jodorodopsynę, złożoną z retinenu i jednej z trzech rodzajów opsyn, o zróżnicowanych pasmach absorpcji. To determinuje występowanie trzech rodzajów czopków: czopki SWS z maksimum absorpcji przy 420 nm (barwa niebieska) – 4% wszystkich czopków; czopki MWS z maksimum absorpcji przy 530 nm (barwa zielona) – 32% wszystkich czopków; czopki LWS z maksimum absorpcji przy 560 nm (barwa czerwona) – 64% wszystkich czopków.

To zróżnicowanie efektywności absorpcji czopków w funkcji częstości (długości fali świetlnej) umożliwia fenomen widzenia barwnego. Teoretycznie, granice czułości spektralnej fotoreceptorów wynoszą od 310 nm w ultrafiolecie do 1400 nm w podczerwieni, jednak układ optyczny oka staje się nieprzezroczysty dla fal o długościach < 370 nm i > 750 nm.. Badania pokazują, że człowiek jest wstanie rozróżnić od 400 000 do kilku milionów barw, a tzw. próg różnicowy barwy (próg chromatyczny) rozumiany jako najmniejsza różnica barwy wyrażona w ułamku długości fali i rozróżnialna dla ludzkiego oka wynosi dziesiętne części nanometra. Gdyby dokonać prostego przyrównania siatkówki do detektora CCD to uwzględniając tylko czopki (6 mln) była by to matryca o rozmiarach 3000 x 2000 pikseli. Aby zachować zdolność rozróżniania do kilku milionów barw koniecznym jest kodowanie 24 bitów na piksel, a to oznacza dla jednego oka złożoność pamięciową obrazu równą 18 MB. Należy tym miejscu zwrócić uwagę, że barwa nie jest właściwością przedmiotów, jak ich kształt czy masa. Identyfikowanie barwy, jej ocena, wymaga zawsze uwzględnienia trzech elementów: źródła światła jako miejsca tworzenia promieniowania, właściwości oka jako detektora oraz mózgu jako miejsca powstania wrażenia. W sposób ilościowy barwę można scharakteryzować za pomocą trzech atrybutów:
– odcień (inaczej kolor lub walor) – nadaje barwie jej nazwę, a określa go odpowiednia długość fali elektromagnetycznej z zakresu przedziału spektralnego od około 380 do 780 nm;
– nasycenie – uzyskiwane poprzez zmieszanie promieniowania barwnego z wiązką światła białego; zmieniając ilość światła białego uzyskujemy wrażenie tego samego koloru lecz rozjaśnionego lub przyciemnionego,
– jasność (inaczej jaskrawość lub natężenie) – odpowiada wrażeniu słabszego lub mocniejszego strumienia światła, które nie wpływa na zmianę koloru ani nasycenia.

Psychofizjologiczna zdolność identyfikowania barw musi być więc oparta na rozróżnianiu tych trzech atrybutów barwy: odcienia, nasycenia i jasności. Należy jednak pamiętać, że odczucie barwy jest wrażeniem subiektywnym i do końca nie wiadomo czy wszystkie cechy barwy są jednakowe u różnych obserwatorów.

Badania nad percepcją barw pozwoliły sformułować kilka fundamentalnych zasad i praw:
– prawo Bezolda-Bruckego – w zakresie widzenia fotopowego wraz ze zmianą jasności zachodzą zmiany barwy postrzeganej;
– prawo Webera-Fechnera – wrażenia subiektywne nie są liniową funkcją bodźców -percepcja jest proporcjonalna do logarytmu wielkości bodźca;
– metameryzm – takie same rozkłady spektralne światła mogą dać różne percepcje barwy lub – takie same percepcje barwy mogą mieć różne rozkłady spektralne światła.

Działem metrologii zajmującym się wyznaczaniem barw w oparciu o właściwości oka i umownie przyjęte założenia jest kolorymetria. Innymi słowy kolorymetria to technika pomiarów i ilościowego opisu barwy na podstawie przyjętej skali barw (np. koło barw z trójkątem nasyceń) i w oparciu o specjalne katalogi i atlasy (np. atlas Munsella).

Podstawowe prawa kolorymetrii zostały sformułowane przez Hermanna Grossmanna. I tak: pierwsze prawo (prawo trójwymiarowości) – każda dowolnie wybrana barwa może być określona za pomocą trzech liniowo niezależnych barw lub inaczej – każde cztery barwy są liniowo zależne, istnieją jednak trójki barw liniowo niezależnych;

drugie prawo (prawo ciągłości) – stopniowa zmiana barwy jednego składnika w mieszaninie złożonej z dwóch barw powoduje stopniową zmianę barwy mieszanej; trzecie prawo (prawo addytywności) – barwa mieszaniny zależy jedynie od barw jej składników, a nie od ich składu widmowego.

Badania nad percepcją barw pozwoliły także sformułować podstawy mieszania barw (syntezy barw). W tym przypadku obowiązują dwie podstawowe reguły: wypadkowa addytywnego mieszania barw dąży zawsze do barwy achromatycznej białej, natomiast wypadkowa subtraktywnego mieszania barw prowadzi zawsze do barwy achromatycznej czarnej.

Ciekawy efekt związany z postrzeganiem barw w warunkach słabego oświetlenia nosi nazwę efektu Purkiniego. Przy widzeniu zmierzchowym barwy zbliżone do niebieskiej są lepiej widoczne niż czerwień. Innymi słowy – krzywa względnej skuteczności świetlnej przesuwa się w kierunku fal krótkich gdy zmniejsza się poziom luminancji (maksimum czułości przesuwa się z 555 nm w widzeniu fotopowym do 505 nm przy widzeniu skotopowym). W rezultacie obserwujemy przyciemnienie barwy czerwonej i rozjaśnienie barwy niebieskiej. Innym złudzeniem związanym z tym efektem jest wrażenie, że w słabym oświetleniu ruchome obiekty koloru czerwonego oddalają się szybciej niż takie same obiekty o barwie niebieskiej. Warto w tym miejscu przywołać także doświadczenie Dove’a, w którym stwierdzono, że obserwując dwa kawałki papieru, czerwonego i niebieskiego, przy różnym natężeniu światła, zauważymy, że przy świetle dziennym, czerwony obszar wydaje się jaśniejszy. Przy świetle zmierzchowym będzie odwrotnie.

Światło oddziałując bezpośrednio na narząd wzroku pozwala poznawać otaczającą nas rzeczywistość. To znajdujące się w naszych oczach fotoreceptory decydują o tym jak widzimy otaczający nas świat. W roku 2000 w siatkówce odkryto komórki macierzyste. W hodowli in vitro zróżnicowały się one na składniki siatkówki, łącznie z fotoreceptorami i komórkami dwubiegunowymi, bez konieczności stymulacji ze strony czynników wzrostu. Może więc pewnego dnia będą wstanie naprawić uszkodzoną siatkówkę?

[artykuł opublikowany za dwumiesięcznikiem Optyka (2009)]