Реферат: Биофизика цветового зрения

КРСУ

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Реферат

на тему:

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Биофизикацветового зрения

                                      

                                    Написал: Гильфанов Н.М.

                                                 студент 1-го курса гр. ЛД-2-97

                                               Проверила: Абдукаримова Н.А.

1998 г.

<span Courier New";mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">ПЛАН  РЕФЕРАТА

<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Цвет и измерение цвета

<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> 

<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»"> <span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Феноменология цветовосприятия

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">   Смешение цветов

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">   Трихроматичность

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Теории цветового зрения

<span Arial",«sans-serif»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Трехкомпонентная теория цветового зрения

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Теория оппонентныхцветов

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Зонная теория

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">

<span Courier New"; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">Нарушения цветового зрения

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Аномалии цветового зрения

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Дихроматы

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Полная цветовая слепота

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Нарушения палочкового аппарата

<span Arial",«sans-serif»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»">    Диагностика нарушений цветового зрения

ЦВЕТ И ИЗМЕРЕНИЕ ЦВЕТА

Различные феномены цветового зрения особенноясно показывают, что зрительное восприятие зависит  не только  от  вида стимулов и работы рецепторов,  но также и от характера переработки сигналовв нервной системе. Различные участки видимого спектра  кажутся нам по-разному окрашенными, причем отмечается непрерывное изменение ощущений при переходе от фиолетового и  синего через  зеленый  и желтый цвета — к красному. Вместе с тем мы можем воспринимать цвета,отсутствующие в спектре,  например,пурпурный тон, который получается при смешении красного  и синего  цветов. Совершенноразличные физические  условия  зрительной стимуляции могут приводить кидентичному восприятию цвета. Например, монохроматический желтый  цвет  невозможно отличить от определенной смеси чисто зеленого и чисто красного.

    Феноменологию цветовосприятияописывают законы цветового зрения,выведенные по результатам психофизических экспериментов.На основе этих законов запериод более 100 лет было разработано несколько теорий цветового зрения.Итолько в последние 25 лет или около того появилась возможность непосредственнопроверить эти теории методами электрофизиологии — путем регистрацииэлектрической активности одиночных рецепторов и нейронов зрительной системы.

   Феноменология цветовосприятия

   Зрительный мир человека с нормальным цветовым зрением чрезвычайнонасыщен цветовыми оттенками.Человек может различатьпримерно 7 миллионов различных цветовыхоттенков.Сравните — в сетчатке глаза насчитывается тожеоколо 7 миллионов колбочек . Впрочем,хороший монитор в состоянии отобразить около 17 миллионов оттенков(точнее,16’777’216). 

 

    Весь этот набор можно разбить на два класса- хроматические и ахроматические оттенки.Ахроматические оттенки образуют естественную последовательность от самогояркого белого к глубокому черному,который соответствуетощущению черного в явлении одновременного контраста (серая фигура на белом фонекажется темнее,чем та же самая фигура на темном ).Хроматические оттенки связаны с окраской поверхностипредметов и характеризуются тремя феноменологическими качествами: цветовым тоном,насыщенностью и светлотой.В случае светящихся световыхстимулов (например,цветной источник света) признак “светлота”заменяется на признак “освещенность”  (яркость).Монохроматические световыестимулы с одинаковой энергией,но разной длиной волнывызывают различное  ощущение яркости.Кривыеспектральной яркости (или кривые спектральной чувствительности) как для фотопического,так и для скотопического зрения строятся на основании систематическихизмерений излучаемой энергии,которая необходима для того, чтобысветовые стимулы с разной длиной волны (монохроматические стимулы) вызывалиравное субъективное ощущение яркости.

Цветовые тонаобразуют “естественный” континуум .Количественно он может быть изображен как цветовой круг,на котором заданапоследовательность вида: красный,желтый, зеленый,голубой,пурпурный и снова красный.Тон и насыщенность вместе определяют цветность, илиуровень цвета.Насыщенность определяется тем,каковов цвете содержание белого или черного.Например,есличистый красный смешать с белым,то получится розовыйоттенок.Любой цвет может быть представлен точкой в трехмерном  “цветовом теле”.Один из первых примеров“цветового тела” — цветовая сфера немецкого художника Ф.Рунге (1810).Каждому цвету здесь соответствует определенный участок,расположенный наповерхности или внутри сферы.Такое представление можетбыть использовано для описания следующих наиболее важных качественных законов цветовосприятия.

1.<span Times New Roman"">   

Воспринимаемые цветаобразуют континуум;иными словами,близкие цвета переходятодин в другой плавно,без скачка.

2.<span Times New Roman"">   

Каждая точка в цветовом телеможет быть точно определена тремя переменными.

3.<span Times New Roman"">   

В структуре цветового телаимеются полюсные точки — такие дополнительныецвета,как черный и белый,зеленый и красный,голубой и желтый,расположены на противоположных сторонах сферы.

    Всовременных метрических цветовыхсистемах цветовосприятие описывается на основе трехпеременных — тона,насыщенности и светлоты.Это делается для того,чтобыобъяснить законы смещения цветов,которые обсудим ниже, и длятого,чтобы определить уровни идентичного цветоощущения.Вметрических трехмерных системах из обычной цветовой сферы посредством еедеформации образуется несферическое цветовое тело.Целью создания такихметрических цветовых систем (в Германии используется цветовая система DIN,разработанная Рихтером) является не физиологическое объяснение  цветового зрения,аскорее однозначное описание особенностейцветовосприятия.Тем не менее, когдавыдвигается исчерпывающая физиологическая теория цветового зрения (пока такойтеории еще нет),она должна обладать способностью объяснитьструктуру цветового пространства.

Смешениецветов

    Аддитивное смешение цветовпроизводится тогда,когда световые лучи сразной длиной волны падают на одну и ту же точку сетчатки.Например,в аномалоскопе — приборе,который используется для диагностики нарушений цветового зрения, — одинсветовой стимул (например,чисто желтый с длиной волны589 нм) проецируется на одну половину круга,тогда как некоторая смесьцветов (например,чисто красный с длиной волны 671 нм и чисто зеленыйс длиной волны 546 нм)  — на другую егополовину.Аддитивная спектральная смесь,которая дает ощущение,идентичное чистому цвету,можетбыть найдена из следующего “уравнениясмешения цветов”:

а (красный,671) +b(зеленый, 546) <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">@

c (желтый,589)   (1)

Символ <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">@

означает эквивалентностьощущения и не имеет математического смысла, a,bи c — коэффициенты освещенности.Для человека с нормальнымцветовым зрением для красной составляющей коэффициент должен быть взят примерноравным 40,а для зеленой составляющей — примерно 33относительным единицам (если за 100 единиц взять освещенность для желтойсоставляющей ).

   Если взять два монохроматических световых стимула,один вдиапазоне от 430 до 555 нм,а другой в диапазоне от 492до 660 нм,и смешать их аддитивно,то цветовой тонполучившейся цветовой смеси либо будет белым, либо будет соответствоватьчистому цвету с длиной волны между длинамиволн смешиваемых цветов.Однако,еслидлина волны одного из монохроматических стимулов превышает 660,адругого — не достигает 430 нм,то получаются пурпурные цветовые тона,которых в спектре нет.

    Белый цвет.Для каждого цветового тонана цветовом круге имеется такой другой цветовой тон,который при смешении дает белый цвет.Константы (весовыекоэффициенты a и b) уравнения смешения

a {F1} + b {F2}<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">@

K {белый}   (2)

зависят от определения понятия “белый”.Любуюпару цветовых тонов F1, F2, которая удовлетворяет уравнению (2), называют дополнительнымицветами.

    Субтрактивноесмешение цветов.Оно отличается отаддитивного смешения цветов тем,что является чистофизическим процессом.Если белый цвет пропустить через два фильтра сширокой полосой пропускания — сначала через желтый,а затем через голубой, — тополучившаяся в результате субтрактивная смесь будетиметь зеленый цвет, поскольку световые лучи только зеленого цвета могутпройти через оба фильтра.Художник, смешиваякраски,производит субтрактивное смешение цветов,поскольку отдельные гранулы красок действуют как цветные фильтры с широкойполосой пропускания.

ТРИХРОМАТИЧНОСТЬ

Для нормального цветового зрения любойзаданный цветовой тон (F4) может быть получен путемаддитивного смешения трех определенных цветовых тонов F1-F3.Этонеобходимое и достаточное условие описывается следующим уравнениемцветоощущения:

a {F1} + b {F2} + c {F3} <span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">@

d {F4}   (3)

Согласно международной конвенции,вкачестве первичных (главных) цветов F1,F2,F3,которые могут использоваться для построениясовременных цветовых систем,выбраны чистые цвета сдлинами волн 700 нм (красный цвет),546 нм (зеленый цвет) и 435нм (голубой).Для получения белого цвета при аддитивномсмешивании весовые коэффициенты этих основных цветов (a,bи c)должны быть связаны следующим соотношением:

a + b + c + d = 1   (4)

Результаты физиологических экспериментов по цветовосприятию,описываемые уравнениями (1) — (4),могут быть представлены в виде диаграммы цветности,(“цветового треугольника”),  которая слишком сложна для изображения вданной работе.Такая диаграмма отличается от трехмерногопредставления цветов тем,что здесь отсутствует одинпараметр — “светлота”.Согласно этой диаграмме,присмешении двух цветов получаемый цвет лежит на прямой,соединяющей два исходныхцвета.Для того,чтобы по этой диаграмме найти пары дополнительныхцветов,необходимо провести прямую через “белую точку”.

   Цвета,используемые в цветном телевидении,получаются путем аддитивного смешения трех цветов,выбранных по аналогии суравнением  (3).

ТЕОРИИ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ Трехкомпонентнаятеория цветового зрения

    Из уравнения (3) и диаграммы цветности следует,что цветовое зрениеосновано на трех независимых физиологических процессах.В трехкомпонентной теориицветового зрения (Юнг,Максвелл,Гельмгольц) постулируется наличие трехразличных типов колбочек,которые работают какнезависимые приемники,если освещенность имеет фотопический уровень.Комбинации получаемых отрецепторов сигналов обрабатываются в нейронных системах восприятия яркости ицвета.Правильность данной теории подтверждается законами смешения цветов,атакже многими психофизиологическими факторами.Например,нанижней границе фотопической чувствительности вспектре могут различаться только три составляющие — красный,зеленый и синий.

   Первые объективные данные,подтверждающие гипотезу оналичии трех типов рецепторов цветового зрения,были получены с помощью микроспектрофотометрических измерений одиночных колбочек,атакже посредством регистрации цветоспецифичныхрецепторных потенциалов колбочек в сетчатках животных,обладающих цветовым зрением.

Теорияоппонентных цветов

 Если яркое зеленое кольцоокружает серый круг,то последний в результате одновременного цветового контраста приобретает красный цвет.Явления одновременного цветового контраста и последовательного цветового контраста послужили основойдля теории оппонентныхцветов, предложенной в XIXв.Герингом.Герингпредполагал,что имеются четыре основных цвета — красный, желтый, зеленый и синий — и что онипопарно связаны с помощью двух антагонистических механизмов — зелено-красного механизма и желто-синего механизма. Постулировался также третий оппонентныймеханизм для ахроматически дополнительных цветов — белого и черного. Из-за полярного характера восприятия этих цветов Герингназвал эти цветовые пары “оппонентными цветами”. Изего теории следует, что не может быть таких цветов, как “зеленовато-красный” и“синевато — желтый”.

Таким образом, теория оппонентныхцветов постулирует наличие антагонистических цветоспецифическихнейронных механизмов. Например, если такой нейрон возбуждается под действиемзеленого светового стимула, то красный стимул должен вызывать его торможение.Предложенные Герингом оппонентные механизмы получиличастичную поддержку после того, как научились регистрировать активность нервныхклеток, непосредственно связанных с рецепторами. Так, у некоторых позвоночных,обладающих цветовым зрением, были обнаружены “красно-зеленые” и “желто-синие”горизонтальные клетки. У клеток “красно-зеленого” канала мембранный потенциалпокоя изменяется и клетка гиперполяризуется, если наее рецептивное поле падает свет спектра 400-600 нм, и деполяризуетсяпри подаче стимула с длиной волны больше 600 нм. Клетки “желто-синего” канала гиперполяризуются при действии света с длиной волны меньше530 нм и деполяризуются в интервале 530-620 нм.

    Наосновании таких нейрофизиологических данных можно составить несложные нейронныесети, которые позволяют объяснить, как осуществить взаимную связь между тремянезависимыми системами колбочек, чтобы вызвать цветоспецифическуюреакцию нейронов на более высоких уровнях зрительной системы.

Зоннаятеория

    Всвое время между сторонниками каждой из описанных теорий велись жаркие споры.Однако сейчас эти теории можно считать взаимно дополняющими интерпретациямицветового зрения. В зонной теории Крисса, предложенной 80 лет назад, была сделана попыткасинтетического объединения этих двух конкурирующих теорий. Она показывает, чтотрехкомпонентная теория пригодна для описания функционирования уровнярецепторов, а оппонентная теория — для описаниянейронных систем более высокого уровня зрительной системы.

НАРУШЕНИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ

Различные патологические изменения,нарушающие цветовосприятие, могут происходить науровне зрительных пигментов, на уровне обработки сигналов в фоторецепторах илив высоких отделах зрительной системы, а также в самом диоптрическом аппаратеглаза. Ниже описываются нарушения цветового зрения, имеющие врожденный характери почти всегда поражающие  оба глаза.Случаи нарушения цветовосприятия только одним глазомкрайне редки. В последнем случае больной имеет возможность описыватьсубъективные феномены нарушенного цветового зрения, поскольку может сравниватьсвои ощущения, полученные с помощью правого и левого глаза.

Аномалиицветового зрения

Аномалиями обычно называют те или иныенезначительные нарушения цветовосприятия. Онипередаются по наследству как рецессивный признак, сцепленный с X-хромосомой.Лица с цветовой аномалией все являются трихроматами,т.е. им, как и людям с нормальным цветовым зрением, для полного описаниявидимого цвета необходимо использовать три основных цвета (ур.3). Однако аномалы хуже различают некоторые цвета, чем трихроматы с нормальным зрением, а в тестах насопоставление цветов они используют красный и зеленый цвет в других пропорциях.Тестирование на аномалоскопе показывает, что при протаномалии всоответствии с ур. (1) в цветовой смеси большекрасного цвета, чем в норме, а при дейтераномалии в смеси больше, чем нужно, зеленого. В редкихслучаях тританомалии нарушается работа желто-синего канала.

Дихроматы

Различные формы дихроматопсии также наследуются как рецессивныесцепленные с Х-хромосомой признаки. Дихроматы могут описывать все цвета, которые видят, только с помощью двух чистых цветов(ур.3). Как у протанопов, так и у дейтераноповнарушена работа красно-зеленого канала. Протанопыпутают красный цвет с черным, темно-серым, коричневым и в некоторых случаях,подобно дейтеранопам, с зеленым. Определенная частьспектра кажется им ахроматической. Для протанопа этаобласть между 480 и 495 нм, для дейтеранопа — между495 и 500 нм. Редко встречающиеся тританопы путаютжелтый цвет и синий. Сине-фиолетовый конец спектра кажется им ахроматическим — как переход от серого к черному. Область спектра между 565 и 575 нм тританопы также воспринимают как ахроматический.

Полнаяцветовая слепота

Менее 0,01% всех людей страдают полнойцветовой слепотой. Эти монохроматы видят окружающиймир как черно-белый фильм, т.е. различают только градации серого. У таких монохроматов обычно отмечается нарушение световой адаптациипри фотопическом уровне освещения. Из-за того, чтоглаза монохроматов легко ослепляются, они плохоразличают форму при дневном свете, что вызывает фотофобию. Поэтому они носят темные солнцезащитные очки даже принормальном дневном освещении. В сетчатке монохроматовпри гистологическом исследовании обычно не находят никаких аномалий. Считается,что в их колбочках вместо зрительного пигмента содержится родопсин.

Нарушенияпалочкового аппарата

   Люди с аномалиями палочкового аппарата воспринимают цвет нормально,однако у них  значительно сниженаспособность к темновой адаптации. Причиной такой“ночной слепоты”, или никталопии, может быть недостаточное содержание вупотребляемой пище витамина А1, который является исходным веществомдля синтеза ретиналя.

Диагностиканарушений цветового зрения

    Таккак нарушения цветового зрения наследуются как признак, сцепленный с Х-хромосомой, то они гораздо чаще встречаются у мужчин, чему женщин. Частота протаномалии у мужчин составляетпримерно 0,9%, протанопии — 1,1%, дейтераномалии3-4% и дейтеранопии — 1,5%. Тританомалияи тританопия встречаются крайне редко. У женщин дейтераномалия встречается с частотой 0,3%, а протаномалии — 0,5%.

       Поскольку существует целый ряд профессий, прикоторых необходимо нормальное цветовое зрение (например, шоферы, летчики,машинисты, художники-модельеры), у всех детей следует проверять цветовоезрение, чтобы впоследствии учесть наличие аномалий при выборе профессии. Водном из простых тестов используются “псевдоизохроматические”таблицы Ишихары. На этих таблицах нанесены пятнаразных размеров и цветов, расположенные так, что они образуют буквы, знаки илицифры. Пятна разного цвета имеют одинаковый уровень светлоты. Лица с нарушеннымцветовым зрением не способны увидеть некоторые символы (это зависит от цветапятен, из которых они образованы). Используя различные варианты таблиц Ишихары, можно достаточно надежно выявить нарушенияцветового зрения.Точная диагностика возможна спомощью тестов на смешение цветов, построенных на основе уравнений (1)-(3).

Литература:

1.<span Times New Roman"">     

Дж. Дудел, М. Циммерман, Р. Шмидт, О. Грюссер идр. Физиология человека, 2 том, перевод с английского, “Мир”, 1985

2.<span Times New Roman"">     

Гл. Ред. Б.В. Петровский.Популярная медицинская энциклопедия, ст… “Зрение”, “Цветовое зрение”,”Советская энциклопедия”, 1988

3.<span Times New Roman"">     

В.Г. Елисеев,Ю.И. Афанасьев, Н.А. Юрина. Гистология, “Медицина”, 1983
еще рефераты
Еще работы по медицине