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Capitolo
3
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Le
traduzioni che potrete trovare su questo sito
sono unicamente destinate ad uso interno per il
corso di Psicologia della Percezione dell'Università
degli studi di Trieste. Nascono con l'intento
di fornire un ausilio a quegli studenti che non
hanno molta dimestichezza con la lingua inglese.
Le traduzioni sono opera degli stessi studenti
del corso di Psicologia della Percezione 1999
- 2000. Nell'utilizzo di questo materiale va tenuto
conto che la correttezza dello stesso va verificata
confrontando le traduzioni con il testo originale.
Per ulteriori domande, clicca
qui.
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LA
VISIONE DEL COLORE: UN MICROCOSMO DELLA SCIENZA DELLA
VISIONE
Il
colore è uno degli aspetti più affascinanti
e caratteristici della percezione. Esso fornisce una
varietà di esperienze qualitativamente diverse
da ogni altra proprietà e non disponibili in
altre modalità sensoriali. Gli oggetti fisici
e le sorgenti luminose hanno la proprietà, quasi
miracolosa, di apparire colorati. Non è ovvio
perché debba essere così; semplicemente
è così. In genere le persone credono che
gli oggetti appaiono colorati perché sono colorati
proprio come noi li percepiamo: il cielo appare blu
perché è blu, l'erba appare verde perché
è verde, il sangue appare rosso perché
è rosso.
Per quanto possa sembrare sorprendente, queste credenze
sono fondamentalmente errate. In effetti, né
gli oggetti né le luci [sorgenti luminose] sono
"colorati". Piuttosto, il colore è
una proprietà psicologica delle nostre esperienze
visive, ottenute osservando gli oggetti e le luci, non
una proprietà fisica di questi oggetti o luci.
Di certo, i colori che vediamo sono basati su alcune
proprietà fisiche [degli oggetti e delle luci]
le quali fanno sì che li vediamo colorati, ma
queste proprietà fisiche sono molto differenti
dal colore che percepiamo. Si può comprendere
meglio il colore se lo si concepisce come il risultato
della complessa interazione tra la luce disponibile
nell'ambiente fisico e il nostro sistema visivo. Capire
come ciò accada richiederà un gran numero
di spiegazioni. Ma ne vale la pena, perché certi
aspetti della percezione del colore sono tra gli argomenti
meglio capiti della scienza della visione, e forse di
tutta la scienza cognitiva. Noi ora sappiamo tanto su
come avviene la percezione del colore, dalla fisica
della luce alla sensibilità dei recettori retinici,
fino a come le persone di culture differenti nominano
il colore delle superfici.
Con questo non si vuole affermare che noi ora sappiamo
tutto circa la percezione del colore, perché
certamente non è così. Ma sappiamo di
più su questo dominio che su altri, al punto
che esso ci servirà come modello di riferimento
per capire perché è utile un approccio
interdisciplinare ai vari aspetti della visione. Pezzi
importanti del mosaico di problemi scientifici sul colore
provengono dalla fisica, dalla psicologia, dalla fisiologia,
dall'informatica, dalla linguistica, dalla genetica
e dall'antropologia. Se percezione e denominazione del
colore forniscono un buon modello di ciò che
è necessario per capire un dominio della cognizione,
allora vuol dire che la scienza cognitiva è davvero
un'impresa molto ampia e "integrativa" [cioè,
che richiede l'integrazione di contributi di varie discipline].
Il processo grazie al quale gli studiosi della visione
sono arrivati a capire la percezione del colore è
istruttivo anche da un punto di vista storico. Esso
ben illustra il modo in cui le scoperte scientifiche
si sono succedute, fino a produrre una teoria coerente
di un dominio percettivo complesso. All'inizio venne
scoperto un corpo di fatti fondamentali, che richiedevano
una spiegazione. Venne proposta una teoria per spiegare
alcuni di questi fatti; una teoria alternativa per spiegarne
altri; e si aprì un acceso dibattito tra i sostenitori
delle due teorie. Infine queste dispute vennero risolte
attraverso un'integrazione teorica, poi confermata da
ulteriori prove empiriche. Pertanto, la trattazione
del colore ripercorrerà in ordine cronologico
l'interessante storia di come si sia sviluppata la nostra
conoscenza dell'argomento.
Il presente capitolo è strutturato in accordo
con i principi metateoretici descritti nel capitolo
2. Cominceremo con un'analisi del problema computazionale
della percezione del colore. Prima di tutto esamineremo
l'informazione in entrata, cioè la luce come
la descriverebbe un fisico. Poi l'informazione in uscita,
cioè l'esperienza del colore come la descriverebbe
uno psicologo. Quindi esamineremo la natura della relazione
tra i due termini: cioè la corrispondenza tra
il dominio fisico della luce e il dominio psicologico
del colore percepito.
Completata l'analisi del problema computazionale, ci
sposteremo al livello algoritmico, parlando delle operazioni
che mappano l'energia luminosa nell'esperienza del colore.
I tre principali stadi di elaborazione del colore, trattati
nel capitolo, sono definibili così: uno stadio
basato sulle immagini, uno stadio basato sulle superfici
e uno stadio basato sulle categorie. Uno stadio basato
sugli oggetti non è necessario perché
il colore è una proprietà percepita delle
superfici piuttosto che dei volumi [affermazione incauta:
già Katz parlava di colori "diafanici"
o filmari (caratteristici degli strati trasparenti)
e dei colori "di volume"].
All'interno di questi stadi, analizzeremo gli algoritmi
di elaborazione del colore mediante l'approccio della
"scomposizione ricorsiva" (cap. 2, p. 74),
andando alla ricerca delle descrizioni a un livello
più basso. In alcuni casi parleremo in dettaglio
del rapporto tra l'analisi funzionale e l'implementazione
dell'algoritmo, implementazione che si realizza nei
meccanismi fisiologici sottostanti l'elaborazione del
colore, localizzati nelle strutture neurali dell'occhio
e del cervello. Ciò è vero soprattutto
per i processi basati sulle immagini, come descritto
nella sezione 3.2. Per quanto concerne i processi basati
sulle superfici e quelli basati sulle categorie (sezioni
3.3 e 3.4), la nostra comprensione del sistema nervoso
non è ancora abbastanza completa da permetterci
di stabilire i rapporti con le analisi funzionali astratte
[relative all'elaborazione delle informazioni]. Stabilire
queste connessioni richiederà un gran numero
di ricerche ulteriori.
3.1 LA DESCRIZIONE COMPUTAZIONALE DELLA PERCEZIONE DEL
COLORE
Secondo
Marr (1982), per comprendere un qualunque sistema complesso
che elabora informazione è meglio partire dal
livello computazionale, descrivendo l'input, l'output
e i principi sottostanti il mappaggio dall'input all'output.
Nel caso della percezione del colore, l'input è
la luce riflessa verso l'occhio dalle superfici ambientali,
l'output sono le esperienze di colore che emergono quando
un osservatore guarda tali superfici, e il mappaggio
è la corrispondenza psicofisica tra input e output.
Questa sezione contiene una descrizione computazionale
semplificata di alcuni aspetti della percezione del
colore. Nelle sezioni successive esamineremo gli aspetti
algoritmici e implementativi.
3.1.1 La descrizione fisica della luce
Il
primo grande passo in avanti nella comprensione della
visione del colore fu fatto nel 1666 dal grande fisico
inglese Isaac Newton con la scoperta che la luce solare
"bianca" (non colorata) contiene in realtà
molte componenti separate che, una per una, producono
differenti esperienze di colore. Newton fece un piccolo
buco nelle imposte del suo laboratorio e vi collocò
un prisma triangolare di vetro. Quando un fascio di
luce passa attraverso il prisma e cade su una superficie
bianca, appare un arcobaleno di differenti colori (Figura
3.1.1). Newton poi focalizzò l'arcobaleno di
luci nuovamente su un singolo raggio usando altri prismi
e osservò che la ricombinazione successiva produceva
la luce bianca. Sulla base di queste e altre osservazioni
sistematiche, Newton teorizzò che la luce solare
era in realtà composta da molti differenti colori
di luce piuttosto che uno solo. Egli ancora si rese
conto che i colori non erano nella luce stessa ma nell'effetto
della luce sul sistema visivo, come afferma eloquentemente
la seguente citazione:
"Propriamente
parlando, i raggi non sono colorati. In essi non c'è
niente altro che un certo potere e disposizione a dare
la sensazione di questo o quel colore… Quindi i
colori negli oggetti non sono altro che una disposizione
a riflettere questa o quella sorta di raggi più
delle altre."
Le
scoperte di Newton sono state i primi fondamentali insight
[non va tradotto: sta per "comprensione profonda
di tipo intuitivo, caratteristica della scoperta scientifica
ottenuta per ristrutturazione cognitiva"] sulle
proprietà fisiche della luce che producono la
visione del colore, ma da allora sono stati compiti
molti progressi. Come detto nel capitolo 1, ora sappiamo
che la luce visibile è composta da piccole unità
indivisibili, i fotoni, i quali si comportano come particelle
per certi aspetti e come onde per altri. In molte altre
parti di questo libro, il comportamento particellare
dei fotoni è più importante; ma per la
visione del colore, importa di più il loro comportamento
ondulatorio. Un fotone è un piccolo pacchetto
di energia elettromagnetica caratterizzato da una proprietà
della sua propagazione di tipo ondulatorio: la lunghezza
d'onda. Le lunghezze d'onda dei fotoni vengono misurate
in unità di distanza, da quelle estremamente
piccole (10-14 m) a quelle estremamente grandi (migliaia
di km). I fotoni che sperimentiamo come luce visibile
coprono appena una piccola porzione di questo spettro
elettromagnetico, come illustrato nella Color Plate
3.1. In effetti il sistema visivo è sensibile
solo ai fotoni con lunghezze d'onda tra circa 400 e
700 nanometri (1 nm= 10-9 m). I raggi X, le microonde,
le radio e le onde TV sono soltanto una parte di questo
spettro (cfr. Color Plate 3.1), ma nessuno dei nostri
organi sensoriali risponde ai fotoni al di fuori della
scala 400-700 nm. Come risultato, noi non possiamo percepirli
senza l'aiuto di complessi strumenti - come le macchine
a raggi X, gli apparecchi tv o radio - che convertono
tali segnali in luce visibile o suoni udibili.
Dal punto di vista fisico, una porzione uniforme di
luce visibile è descrivibile specificando il
numero di fotoni trasmessi (per unità di tempo)
in corrispondenza di ciascuna lunghezza d'onda nell'intervallo
400-700 nm. Questa descrizione può essere rappresentata
come diagramma spettrale (figura 3.1.2). La luce con
uno spettro contenente solo una lunghezza d'onda (figura
3.1.2A) viene chiamata monocromatica (mono= uno e croma=
colore). Tutte le altre luci sono policromatiche (poli=
molti): il loro spettro può contenere una ristretta
banda di lunghezze d'onda (figura 3.1.2B) o tutte le
lunghezze d'onda visibili (figura 3.1.2C). La luce solare
naturale contiene fotoni di tutte le lunghezze d'onda
visibili più o meno nella stessa proporzione
(figura 3.1.2C), proprio come aveva sostenuto Newton.
3.1.2. La descrizione psicologica del colore
Nella
descrizione fisica della luce non si menzionava affatto
il colore. Questo perché, come disse Newton,
"i raggi … non sono colorati." Il colore
diventa rilevante solo quando la luce entra negli occhi
di un osservatore fornito di un sistema visivo adatto
a produrre quell'esperienza. La situazione ricorda il
vecchio puzzle dell'albero che cade nella foresta: produce
o no un suono se non c'è nessuno lì ad
ascoltarlo? Ci possono essere luci di differente lunghezza
d'onda indipendentemente da un osservatore; ma non c'è
colore indipendentemente da un osservatore, perché
il colore è un fenomeno psicologico che scaturisce
solo dentro a un osservatore.
Anche se talvolta i colori sono emessi direttamente
da una sorgente luminosa (TV, schermo del computer),
noi normalmente esperiamo il colore come proprietà
di una superficie. Ciò accade perché un
po' della luce emessa dalle sorgenti luminose, come
il sole o le lampadine, viene riflessa dalle superfici
verso i nostri occhi (vedi sezione 1.2). E' la luce
riflessa a consentirci di vedere le superfici che non
emettono luce propria, e le loro proprietà. Le
superfici appaiono differentemente colorate perché
riflettono in modo differente i fotoni delle varie lunghezze
d'onda.
Lo
spazio del colore. L'esperienza soggettiva dei colori
di superficie ha una struttura differente da quella
delle luci fisiche. Tutte le superfici colorate sperimentabili
da un osservatore normale possono essere descritte in
termini di appena tre dimensioni: tinta (hue), saturazione
(saturation) e bianchezza (lightness) [come si dirà
più avanti, ci sono grossi problemi nell'uso
di "chiarezza= brightness" e bianchezza= lightness"].
Tutte insieme, queste dimensioni definiscono lo spazio
del colore: un sistema tridimensionale entro i quale
ogni possibile esperienza di colore può venire
rappresentata come un singolo punto con un'unica posizione
(Color Plate 3.2). La gamma completa dei colori effettivamente
percepiti dagli osservatori normali occupa un sottospazio,
chiamato solido del colore [fuso= spindle], simile a
una trottola sbilenca (Color Plate 3.2). Ogni esperienza
di colore di superficie può essere collocata
in uno specifico punto appartenente a questa porzione
dello spazio del colore.
Va notato che il passaggio dalla descrizione fisica
della luce alla descrizione psicologica del colore comporta
una enorme riduzione di complessità. In via di
principio il fisico deve specificare infiniti valori
per descrivere lo spettro di una luce data, uno per
ogni lunghezza d'onda nel continuum tra 400 e 700 nm.
Lo psicologo, invece, può specificare un colore
con appena tre valori: uno per la tinta,, uno per la
saturazione, e uno per la bianchezza. Questo implica
che le esperienze del colore perdono molte (ma non tutte)
delle informazioni presente nell'intero spettro. Inoltre
implica che molte luci fisicamente diverse (cioè,
luci con spettri differenti) possano produrre esattamente
la stessa esperienza di colore. Quest'ultimo fatto finisce
per essere un'importante proprietà della visione
del colore, su cui torneremo quando esamineremo le miscele
di colore.
Nel 1905 l'artista e insegnante d'arte Albert Munsell
costruì uno spazio del colore a intervalli soggettivamente
eguali nelle tre dimensioni H (hue) S (saturation= chroma)
V (lightness= value). Il Munsell Book of Color è
un atlante standardizzato, pubblicato in due volumi
contenenti 1600 campioni accuratamente controllati di
superfici lucide colorate. Ogni colore può essere
specificato in riferimento al campione Munsell più
vicino.
Le condizioni in cui vanno confrontati i campioni di
colore debbono essere rigorosamente controllate. Perché
il confronto abbia senso, i colori vanno osservati sotto
illuminazione standard, o su uno sfondo uniforme grigio
medio o attraverso uno schermo di riduzione (un'apertura
in uno schermo uniforme grigio). Altrimenti, differenze
nel colore dello sfondo e nelle condizioni di illuminazione
potranno alterare il colore percepito del campione.
Molte persone hanno subito la frustrazione di comperare
un abito il cui colore sembrava accettabile sotto le
luci fluorescenti del negozio per scoprirlo poi molto
diverso alla luce del sole o di una lampada ad incandescenza.
Queste complessità sono importanti per una piena
comprensione della percezione del colore, ma per semplificare
il nostro lavoro le metteremo momentaneamente da parte,
per tornanci sopra più avanti, in questo stesso
capitolo.
Tinta.
La dimensione che noi normalmente associamo con il colore
di una superficie è la tinta (hue). Nello spazio
del colore, la tinta corrisponde alla direzione dall'asse
centrale fino alla posizione del punto che rappresenta
un dato colore. Se esaminiamo le tinte delle luci monocromatiche
(quelle che contenengono una sola lunghezza d'onda),
da quelle più corte a quelle più lunghe,
come nell'arcobaleno, vediamo una progressione dal violetto,
attraverso il blu, verde, giallo, arancio e rosso. Si
potrebbe quindi pensare che la dimensione psicologica
della tinta sia simile alla dimensione fisica della
lunghezza d'onda. Tuttavia, ci sono alcune importanti
differenze.
Se le luci vengono ordinate in funzione della somiglianza
fisica, nei termini della corrispondente lunghezza d'onda,
esse giacciono su una linea retta, come indicato nel
Color Plate 3.1. In termini fisici, le luci delle lunghezze
d'onda più corte e più lunghe sono le
meno simili. Se invece le luci monocromatiche vengono
disposte in base alla loro somiglianza percepita, esse
si collocano lungo in cerchio dei colori (Color Plate
3.3). Qui la dimensione della tinta è stata curvata,
per cui la lunghezza d'onda più corta (che appare
violetta) e quella più lunga (che appare rosso
aranciato) sono vicine, conformemente alla loro somiglianza
psicologica dovuta alla comune componente rossa. Quindi
la dimensione psicologica della tinta e la dimensione
fisica della lunghezza d'onda della luce monocromatica
sono connesse, ma non sono la stessa cosa. Tra il violetto
e il rosso aranciato, sul cerchio dei colori ci sono
le cosiddette tinte non spettrali, dal porpora ai magenta
ai rossi profondi. Questi colori vengono chiamati "non
spettrali" perché non c'è una singola
lunghezza d'onda nello spettro visivo (cioè,
nessuna luce monocromatica) in grado di produrli. Queste
tinte possono essere create soltanto dalla combinazione
di due o più lunghezze d'onda.
Saturazione.
La seconda dimensione del colore, chiamata saturazione,
cattura la "purezza" e "vividezza"
del colore percepito. Nello spazio dei colori, ciò
corrisponde alla distanza dall'asse centrale alla posizione
del punto che rappresenta un dato colore. Tutti gli
intensi colori dell'arcobaleno stanno sul margine esterno
del cerchio, corrispondente al più alto livello
di saturazione. Tutti i grigi stanno lungo l'asse centrale
a saturazione zero. I colori pastello, spenti, hanno
saturazione intermedia.
Bianchezza.
La terza dimensione dello spazio del colore è
la bianchezza, corrispondente all'altezza nello spazio
del colore (Color Plate 3.2). Tutti i colori di superficie
hanno un valore di bianchezza, anche se esso è
più ovvio per il colore acromatico (grigio),
lungo l'asse centrale, dal nero (in basso) al bianco
(in alto).
Il Color Plate 3.3 mostra una sezione obliqua dello
spazio del colore in cui si vede come tinta e saturazione
si combinino a formare il cerchio dei colori. Il grigio
è al centro e i colori più saturi stanno
ai bordi. Questa sezione dal solido dei colori è
obliqua perché i gialli saturi sono di bianchezza
più elevata dei blu e violetti saturi (i rossi
e verdi saturi hanno bianchezza intermedia). Tinte su
punti opposti del cerchio dei colori vengono chiamate
complementari. Se le luci dei colori complementari vengono
mischiate in giuste porzioni, esse producono una luce
acromatica (non colorata) che apparirà come un
dato grigio. Il Color Plate 3.4 mostra una sezione verticale
del solido dei colori che illustra come saturazione
e bianchezza si combinino per formare i triangoli di
colore per il giallo e per il blu. Si noti che i grigi
dal nero al bianco formano una banda verticale lungo
un lato, in corrispondenza dell'asse centrale dello
spazio del colore. Si noti inoltre che i "marrone"
sono in realtà sono dei gialli scuri.
Bianchezza
e chiarezza. La dimensione della bianchezza riguarda
la percezione delle superfici che riflettono la luce
piuttosto che emetterla. Questo è il caso usuale
nella percezione visiva, dato che solo pochi oggetti,
per esempio il sole, le stelle, le lampadine, i monitor
TV o del computer emettono luce (in genere non colorata,
salvo per i monitor). Per le sorgenti luminose, la dimensione
della chiarezza prende il posto della bianchezza.1 Questo
perché le sorgenti appaiono più o meno
luminose, piuttosto che più vicine al bianco
o al nero, come le superfici. Per il resto, lo spazio
dei colori per luci emesse e riflesse è essenzialmente
lo stesso.
Nota
1 (p. 99). Sfortunatamente il termine chiarezza (brightness)
è usato in modo ambiguo. Oltre a indicare il
livello di intensità percepita di una sorgente,
indica anche il grado di illuminazione di un colore
di superficie. Cioe' un colore di superficie con una
data tinta, saturazione e bianchezza può apparire
più o meno chiaro, a seconda che appaia molto
o poco illuminato.
Le
dimensioni percepite della bianchezza e della chiarezza
sono entrambe dovute largamente al contrasto di una
regione con una vicina. Se le due superfici riflettono
lo stesso numero di fotoni per unità di tempo,
quella circondata da una regione più scura apparirà
più chiara e l'altra circondata da una regione
più chiara apparirà più scura.
Se due superfici emettono la stessa quantità
di luce, lo stesso vale per la loro chiarezza. Si consideri
il monitor TV. Quando è spento (cioè quando
semplicemente riflette la luce di altre fonti ma non
emette luce propria) sembra di un grigio medio. Quando
è acceso, invece, si vedono dei buoni bianchi
e dei buoni neri. I bianchi sono abbastanza semplici
da capire (adesso queste regioni emettono fotoni). Ma
come fanno certe regioni dello schermo TV ad apparire
nere, più scure di quando l'apparecchio è
spento? Non può essere perché vengono
emessi meno fotoni di primo, perché la TV non
emetteva alcun fotone da spenta, e non può emettere
"fotoni negativi" per ridurre l'aumentare
della luce. Il nero ottenuto con la TV accesa deve dunque
dipendere dal contrasto.
L'importanza del contrasto riguarda non solo il nero
o il bianco ma tutti gli altri colori. Il marrone è
un caso importante, perché esso è la versione
scura dell'arancione e del giallo. Questo significa,
per esempio, che una regione marrone sul monitor TV
o sullo schermo del computer sembrerà arancione
o giallo se osservato attraverso un tubo di cartone.
Torneremo sullo stesso effetto di contrasto più
tardi in questo capitolo.
3.1.3. La corrispondenza psicofisica
Ora
che abbiamo una conoscenza di base delle informazioni
in entrata e in uscita per la percezione del colore,
possiamo chiederci come vengono messe in relazione.
Il modo in cui una descrizione fisica "mappa"
in una descrizione psicologica viene chiamato corrispondenza
psicofisica, e in genere è specificato mediante
un'analisi computazionale. Potrebbe essere conveniente
se ci fossero delle chiare e semplici corrispondenze
tra luce fisica e colore percepito, ma non c'è.
Capire come la luce riflessa si trasformi in colore
percepito è enormemente complesso e richiede
altre informazioni oltre quelle finora considerate.
Ne abbiamo abbastanza per cominciare, ma solo se semplifichiamo
un po' le cose.
Oltre alle semplificazioni precedenti (osservazione
in condizioni standardizzate, sotto una sorgente neutrale
e con campioni su uno sfondo grigio), consideriamo solo
superfici che riflettono luce con uno spettro ha approssimativamente
la forma di una distribuzione normale (a campana, figura
3.1.3). Poche superfici naturali sono descritte da tale
distribuzione, che comunque è attraente perché
è definita da appena tre parametri: il loro valore
centrale (media), la loro area e la loro larghezza (varianza)
[ma sarebbe giusto deviazione standard]. La relazione
tra questi parametri e le tre dimensioni del colore
percepito è particolarmente semplice.
Per le distribuzioni spettrali approssimativamente normali
valgono tre semplici corrispondenze psicofisiche:
1.
La lunghezza d'onda media determina la tinta (figura
3.1.3A). Abbiamo già considerato la relazione
tra tinta e lunghezza d'onda per le luci monocromatiche.
Una luce policromatica con uno spettro distribuito normalmente
apparirà con una tinta essenzialmente identica
a quella di una luce monocromatica con lunghezza d'onda
corrispondente al picco (o moda della distribuzione).
Dire che questa luce monocromatica avrà la stessa
tinta della luce policromatica non implica che esse
sembreranno identiche, perché esse potrebbero
essere differenti per bianchezza (o chiarezza) oppure
per saturazione. E' importante anche capire che certe
tinte (in particolare il porpora) non possono essere
prodotte da uno spettro normale, ma di questo motivo
parleremo più avanti.
2.
L'area spettrale determina la bianchezza (figura 3.1.3B).
Questo non dovrebbe sembrare troppo sorprendente, perché
l'area sotto la curva spettrale corrisponde al numero
totale di fotoni (per unità di tempo) che colpiscono
la retina. Le aree ampie corrispondono a luci brillanti
o a superfici vicine al bianco, e le aree piccole a
luci pallide e a superfici vicine al nero.2
Nota
2. Non conta la quantità assoluta di fotoni ma
il rapporto tra l'intensità della regione e quella
dello sfondo. Ma se tutti i campioni di colore vengono
visti contro lo stesso sfondo, non fa differenza.
3.
La varianza determina la saturazione. (figura 3.1.3C)
[attenzione perché high, medium, low nella figura
si riferiscono alla saturazione e non alla varianza,
che è opposta: bassa varianza= alta saturazione].
Abbiamo già visto che una luce monocromatica,
con uno spettro a varianza zero, è satura mentre
lo spettro della luce del sole "bianca", la
meno satur , ha la varianza massima (uno spettro quasi
uniforme).
Quindi, se la luce riflessa ha uno spettro normale,
la corrispondenza psicofisica è abbastanza regolare.
Tuttava le cose diventano più complicate se ci
si allontana dalla distribuzione normale. Altri fattori
determinano la percezione del colore di oggetti reali
in condizioni reali. Come si vedrà nel capitolo
3.3, non si può predire la percezione del colore
di una superficie semplicemente dalla conoscenza dello
spettro della luce riflessa. Entrano altri fattori tra
cui la natura delle superfici circostanti, le condizioni
di illuminazione, l'inclinazione della superficie rispetto
all'illuminazione, la distribuzione spaziale in profondità,
le ombre proiettate da altri oggetti. Ognuno di questi
può avere un effetto sostanziale sulla percezione
del colore (sezione 3.3).
3.2. L'elaborazione del colore a livello dell'immagine
Non
è detto che abbia senso parlare di colore "a
livello dell'immagine". Comunque possiamo pensare
ai colori visti su una superficie bidimensionale frontale
omogeneamente illuminata, quando non entrano in gioco
altre complicazioni.
Queste condizioni di osservazione corrispondono alle
macchie omogenee di luce colorata viste attraverso lo
schermo (o tubo) di riduzione: un schermo che elimina
ogni cosa dal campo visivo eccetto il campione di colore.
Queste condizioni producono un fenomeno chiamato colore
di apertura o filmare (perché il colore appare
come una sottile pellicola nell'apertura dello schermo).
Ai fini di questa discussione, assumeremo che la percezione
del colore in queste condizioni ridotte rifletta essenzialmente
processi a livello dell'immagine.
3.2.1.
Fenomeni base
La
nostra comprensione della visione del colore a livello
dell'immagine si basa su fatti scoperti più di
un secolo fa usando metodi comportamentali, come i compiti
di discriminazione e le descrizioni introspettive. Essi
riguardano le miscele di luce, i tipi di cecità
al colore, le immagini consecutive, l'esistenza di colori
indotti e la natura dell'adattamento cromatico. Questi
fenomeni erano importanti specialmente per le prime
teorie della visione del colore perché rappresentavano
le prime osservazioni che avevano bisogno di essere
spiegate. Una volta descritte, ci chiederemo come potrebbero
essere capite all'interno di una teoria del colore a
livello dell'immagine.
Le
miscele di luce. Come avevamo detto, solo una piccola
porzione dei colori corrisponde alle luci monocromatiche.
Per vedere i colori non spettrali come il porpora e
i colori non saturi come i pastelli e il grigio, devono
essere mescolate due o più differenti lunghezze
d'onda. Questo solleva la questione di come si combinano
i colori. La risposta varia a seconda che si mescolino
luci o colori. Le miscele di luci sono piuttosto semplici
da capire nei termini dello spazio dei colori, e quindi
le esamineremo per prime. Le miscele di pigmenti colorati
(vernici) - con cui molte persone hanno più familiarità
- sono più complicate e verranno descritte nell'appendice
B, che la spiega nel contesto di una varietà
di differenti tecnologie del colore.
C'è un semplice modo per predire il colore prodotto
mescolando due luci, A e B: il colore risultante sta
sulla linea che unisce A e B nello spazio dei colori
(figura 3.2.1A).3 Se le due luci sono mescolate in proporzioni
uguali, la loro combinazione sta a metà tra loro.
Se la miscela contiene molto A e poco B, allora la combinazione
sta più vicina ad A ma comunque ancora lungo
la linea tra A e B. Adesso dovrebbe essere chiaro perché
le miscele di luci di colore complementare producano
luce (bianca) acromatica: poiché i complementari
stanno su punti opposti della circonferenza dei colori,
allora il punto centrale cromaticamente neutrale sta
sulla linea che li collega.
Nota
3. Tecnicamente, questo è vero in uno spazio
dei colori chiamato il diagramma di cromaticità
C.I.E. (appendice C). In molti altri spazi dei colori
le linee non sono rette.
Se
nella miscela è incluso un terzo colore C, il
risultato starà in qualche punto all'interno
del triangolo i cui vertici sono A, B e C. Questo deve
essere vero secondo la seguente logica: se la miscela
tra A e B sta sul segmento AB (in funzione della quantità
relativa di A e B) e se questo risultato è poi
mescolato con una certa quantità di C, il risultato
finale starà da qualche parte tra AB e C (figura
3.2.1B). Questo insieme di alternative definisce il
triangolo ABC nello spazio del colore. Dove precisamente
sarà localizzata la miscela dipende dalle proporzioni
relative delle tre luci.
Da quello che abbiamo detto finora, potete vedere che
se A, B e C si trovano nel cerchio dei colori di massima
saturazione e sono sufficientemente lontani tra loro
- come il rosso, il blu e il verde - allora miscelandoli
in varie proporzioni si produrrà la maggior parte
dei restanti colori dello spazio dei colori. Questo
significa che ogni colore all'interno del triangolo
formato da A, B e C può essere creato esattamente
da qualche combinazione di queste tre luci. I colori
che mancheranno in questo schema di mescolanze sono
il giallo, il porpora e il verde-azzurro altamente saturi,
sebbene queste tinte possano essere prodotte nelle gradazioni
meno sature. Aumentando la quantità assoluta
delle luci A, B e C, in modo tale da far variare la
chiarezza e non soltanto tinta e saturazione, possono
essere prodotti quasi tutti i colori. Questo fatto riguardante
la visione dei colori negli esseri umani venne scoperto
nel 1855 da James Clerk Maxwell, il famoso fisico scozzese
che formulò le equazioni che regolano il comportamento
dei campi elettromagnetici.
Queste osservazioni possono essere generalizzate nella
seguente legge di mescolanza del colore: le persone
con una visione cromatica normale possono eguagliare
ogni colore dato con una qualche combinazione di tre
luci scelte appropriatamente (cioè, che non stanno
lungo una linea retta nello spazio dei colori). Questa
legge è valida per esperimenti di eguagliamento
tra una regione contenente una luce monocromatica (la
regione test) e una regione adiacente composta da una
miscela di luci in varie proporzioni (figura 3.2.2A).
L'osservatore aggiusta la proporzione di componenti
della miscela finché essa appare identica alla
regione test (cioè, fino a quando non scompare
il bordo). Notate che le due regioni saranno sempre
fisicamente differenti, nel senso che conterranno luci
di diversa composizione spettrale. Due luci che appaiono
identiche ma con un differente spettro fisico sono chiamate
metameri.
Il lettore potrebbe obiettare a questa legge perché,
come abbiamo detto, con la semplice mescolanza di tre
luci non si possono creare alcuni colori saturi, quelli
che stanno all'esterno del triangolo che ha per vertici
i colori delle tre luci. La semplice mescolanza di tre
luci non copre l'intero spazio del colore perché
non ha senso parlare di colori negativi (equivalenti
a vettori negativi in uno spazio vettoriale standard).
Comunque, esiste un trucco metodologico. In effetti,
invece di aggiungere una quantità negativa di
colore alla miscela di confronto si può aggiungere
la stessa quantità positiva alla regione test
(figura 3.2.2B).
La figura 3.2.3 mostra come si può eguagliare
un colore che sta all'esterno del triangolo definito
da tre luci, usando una miscela "negativa".
Il colore non adiacente al colore test tra i tre colori
della mescolanza - in questo caso C - è aggiunto
alla regione test invece che alla regione di confronto,
usando il trucco del colore negativo. Questa combinazione
può produrre qualsiasi colore lungo la linea
tra T e C. Siccome uno di questi punti sta anche lungo
la linea tra gli altri due colori della miscela, A e
B, T può essere creato con la combinazione delle
quantità positive di A e B e della quantità
negativa di C. Se si ammettono queste aggiunte di colori
negativi, la legge sulle miscele diventa valida per
tutti i colori test.
Il fatto che bastino tre luci per ottenere qualsiasi
tinta è di enorme importanza pratica, perché
sta alla base di alcune fondamentali tecnologie del
colore. Per esempio, tutti i colori che voi vedete sul
vostro TV a colori e sullo schermo del computer sono
combinazioni di tre luci che viste isolatamente appaiono
rispettivamente come un rosso, un verde e un blu molto
saturi. Potreste aver notato questo su uno schermo TV
gigante perché allora le luci rossa, verde e
blu sono evidenti. Altri TV color lavorano in modo simile,
ma producono elementi colorati così vicini da
essere indistinguibili. Se esaminate lo schermo da una
distanza molto ravvicinata, comunque, potete vedere
che le aree bianche dell'immagine non sono bianche,
ma composte da minuscoli puntini rossi, blu e verdi.
(Questo è facile da notare sullo schermo di un
computer perché potete creare un'immagine stabile
con molto bianco guardarla da vicino con una lente).
Quando aggiustate i controlli del colore sul vostro
TV color, voi modificate le intensità relative
delle tre luci, in modo da riprodurre sullo schermo,
in base alle vostre conoscenze, colori caratteristici
come quello della pelle. Tutte le tecnologie del colore
(pittura, tintura, fotografia a colori, TV, video, computer
grafica) fanno uso delle miscele additive (queste appena
spiegate), di miscele sottrattive (come spiegato nell'Appendice
C), o qualche combinazione di entrambe. Questi effetti
sono descritti più approfonditamente nell'Appendice
C.
Cecità al colore. Quando abbiamo detto che qualsiasi
colore può essere creato mescolando tre luci
appropriatamente scelte, abbiamo specificato "per
una persona con una normale visione del colore".
Infatti, non tutti percepiscono i colori alla stessa
maniera: l'8% dei maschi e l'1% delle femmine soffrono
di una qualche forma di cecità al colore, cioè
non sono in grado di discriminare tutti i colori. La
discrepanza tra i tassi d'incidenza tra uomini e donne
riflette il fatto che questo deficit è legato
al sesso e a fattori ereditari. Per scoprire se soffrite
di questo deficit guardate il Color Plate 3.5. Se riuscite
a discriminare i numeri 57 e 15 nel pattern di puntini,
la vostra visione del colore è probabilmente
normale. Se vedete qualcos'altro siete afflitti almeno
in parte da cecità al colore.
Ci sono alcune diverse varietà di cecità
al colore di differente gravità. Le persone con
una normale visione del colore vengono chiamate tricromatici
(tri= tre + chroma= colore) perché, come abbiamo
visto, possono eguagliare qualsiasi colore con la mescolanza
di altri tre. Gli osservatori con completa tricromaticità
vedono tutte le tinte del solido dei colori. La maggior
parte delle persone che hanno cecità al colore
sono in qualche forma dicromatici (di= due) perché
possono eguagliare qualsiasi colore con alcune mescolanze
di soltanto due colori. Alcune persone vedono solo variazioni
di bianchezza (lightness) come voi quando guardate un
film o una foto in bianco e nero. Sono chiamati monocromatici
(mono= uno) e possono eguagliare qualsiasi luce variando
l'intensità di qualsiasi altra luce. Per loro,
l'intero spazio tricromatico del colore è proiettato
sul singolo asse centrale dei colori acromatici.
Ci sono tre tipi di osservatori dicromatici. Due non
vedono il rosso e il verde, che sono probabilmente visti
come grigi. Come risultato ad essi il mondo appare nelle
varie gradazioni di blu, giallo e grigio, come se la
dimensione rosso/verde fosse stata eliminata (Color
Plate 3.6). Queste due forme di cecità al colore
rosso/verde dette protanopia (proto= primo + anopia=
incapacità di vedere) e deuteranopia (deutero=
secondo) sono qualitativamente molto simili. Ma possono
venir distinte misurando il punto neutrale monocromatico
dell'osservatore: la specifica lunghezza d'onda alla
quale la luce monocromatica appare non colorata (grigia).
Per entrambi i gruppi le lunghezze d'onda brevi appaiono
bluastre e le lunghezze d'onda lunghe appaiono giallastre,
ma da qualche parte in mezzo c'è una lunghezza
d'onda che è percepita come grigio neutro, né
blu né giallo. (I tricromatici normali non hanno
un punto neutrale del genere: tutte le luci monocromatiche,
come nell'arcobaleno, producono vivide esperienze di
colore). Per i protanopici il punto neutrale sta intorno
ai 492 nm e per i deuteranopici intorno ai 498 nm (figura
3.2.4). Malgrado la loro evidente somiglianza, la distinzione
tra queste due varietà di cecità al colore
ha importanti implicazioni fisiologiche, che esamineremo
brevemente.
La forma rosso/verde della cecità al colore è
tra le più frequenti: colpisce circa l'1% di
uomini e il 0.02% di donne. Il terzo tipo di dicromatismo,
la tritanopia (tri= terzo) è molto più
raro; colpisce solo lo 0.02% di uomini e lo 0.01% di
donne. I tritanopici non discriminano i blu dai gialli:
la loro esperienza soggettiva del mondo consiste presumibilmente
solo di gradazioni di rosso, verde e grigio (Color Plate
3.6), come se la dimensione blu/gialla fosse stata eliminata.
Come indica la figura 3.2.4 le lunghezze d'onda corte
appaiono verdi e le lunghe appaiono rosse, con il punto
neutrale grigio verso i 570 nm.
Ci sono anche delle corrispondenti anomalie cromatiche
[weakness= debolezza] in cui la percezione del colore
è danneggiata, ma in modo meno radicale. Questi
tricromatici anomali costituiscono la rimanente parte
della popolazione con insufficienze riguardanti il colore.
Essi eguagliano qualsiasi colore con qualche miscela
di altri tre, ma in proporzioni differenti dai tricromatici
normali. Per chi ha un'anomalia del rosso/verde il solido
dei colori sarà più schiacciato, compresso
nella dimensione rosso/verde ma ancora tridimensionale.
Per Per chi ha un'anomalia del blu/giallo il solido
è compresso lungo la dimensione blu/gialla. La
distinzione tra tricromatici normali e anomali non è
netta; nella popolazione di tricromatici anomali sono
presenti vari gradi di deviazione dalla normalità.
Una volta spiegato il substrato fisiologico del sistema
visivo diventerà chiaro perché esistono
queste particolari anomalie, e non altre. Le manifestazioni
comportamentali relative alle anomalie della visione
cromatica erano ben note prima che fosse capito il substrato
fisiologico, e uno degli scopi delle prime teorie della
percezione del colore era quello di spiegarle. Come
vedremo, i fenomeni della cecità al colore hanno
un ruolo importante nella storia delle teorie del colore.
Prima di abbandonare questo argomento, è importante
chiedersi come i tricromatici normali sanno - o pensano
di sapere - come appare il mondo ai dicromatici o ai
monocromatici. Questo è un vecchio problema filosofico,
riguardante la natura privata dell'esperienza cosciente.
Come potete sapere che la mia esperienza del rosso è
uguale alla vostra? Il fatto che chiamiamo la stessa
cosa "rosso" non prova questo fatto, io potrei
vedere il rosso uguale al vostro verde, ma chiamarlo
"rosso". (Non c'è trucco qui: semplicemente
io userei la parola "rosso" come mi è
stato insegnato, esattamente come voi, ma che la mia
esperienza sensoriale sarebbe diversa). Infatti, è
logicamente possibile che la mia esperienza del colore
sia esattamente inversa alla vostra, come se l'arcobaleno
per me fosse nell'ordine opposto. (Vedi la sezione 13.1.2
per una discussione più dettagliata).
Dati questi problemi, in che modo i tricromatici possono
sapere come appare il mondo ai dicromatici? Ci sono
due risposte. Una viene da quei individui estremamente
rari che hanno la cecità al colore per un solo
occhio (MacLeod & Lennie, 1976; Sloan & Wollach,
1948). Queste persone ci possono dire come un'immagine
dicromatica appare a un tricromatico semplicemente guardando
con un occhio alla volta, perché la stessa persona
ha esperienza di entrambe le immagini. Questo sembra
una risposta soddisfacente finché non ci si chiede
quanto un occhio tricromatico possa avere influsso sulle
esperienze ottenute con l'occhio dicromatico. Forse,
solamente quando il cervello ha a disposizione la completa
gamma di colori tricromatici provenienti dall'occhio
tricromatico che le esperienze fatte con l'occhio cieco
al rosso/verde appaiono sulla dimensione blu/gialla.
Forse la dicromaticità binoculare produce un'esperienza
radicalmente differente da ciò che è vissuto
dai tricromatici normali. Queste idee più caute
portano alla seconda risposta, che è semplicemente
la seguente: non lo possiamo sapere. Potrebbe non esistere
alcun modo per avere la completa certezza, come argomenteremo
nel capitolo 13 quando affronteremo il problema della
consapevolezza visiva.
Le
immagini consecutive (color afterimages). Un'altra importante
classe di fenomeni nella comprensione della visione
del colore viene dalle immagini consecutive: effetti
successivi alla prolungata osservazione di un colore
saturo. Chiunque ha visto le immagini consecutive acromatiche,
successive all'esposizione a una luce intensa, come
un flash o il sole. Con l'osservazione prolungata di
uno stimolo colorato illuminato potete vedere delle
immagini consecutive dai colori molto convincenti. Riprovate
con la bandiera verde, nera e gialla nel capitolo 2,
Color Plate 2.1. Fissate il punto al centro per almeno
30 secondi, muovendo gli occhi il minimo possibile.
Poi fissate il punto nel rettangolo bianco fino all'apparizione
dell'immagine.
Vedrete la bandiera americana in rosso, bianco e blu
(come un'ombra trasparente) perché nell'immagine
consecutiva ogni colore produce il suo colore complementare.
Nel solido dei colori il complementare è il colore
opposto, rispetto il punto centrale: il complementare
del verde è il rosso, del nero è il bianco,
del giallo è il blu. Questo è un semplice
modo per determinare il complementare di qualsiasi colore:
fissare il punto centrale di un campione molto saturo
e poi guardare un foglio bianco. Il vostro sistema visivo
vi darà automaticamente la risposta.
Contrasto
simultaneo di colore. I colori complementari sono altrettanto
importanti nel fenomeno del contrasto simultaneo di
colore, o colore indotto. Qui l'effetto del colore complementare
è ottenuto nello spazio e non nel tempo. L'effetto
di contrasto simultaneo classico si dimostra presentando
due regioni con lo stesso spettro che risultano percettivamente
diverse in funzione dalla regione circostante. In altre
parole, quando la regione target è circondata
da uno sfondo fortemente colorato, questo può
influenzare la percezione del colore del target (Color
Plate 3.7). Notate che nei differenti quadranti il grigio
(fisicamente identico) risulta debolmente colorato:
verdastro contro lo sfondo rosso, rossiccio contro lo
sfondo verde, bluastro contro lo sfondo giallo e giallastro
contro lo sfondo blu. Se il target è acromatico
il colore indotto è complementare allo sfondo.
Se il target è cromatico il colore cambia verso
il colore cromatico nella misura determinata dalla sua
intensità e dalla durata di fissazione.
Il contrasto simultaneo riguarda anche la percezione
acromatica. Un esempio di SLC (simultaneous lightness
contrast) è mostrato nella figura 3.2.5. E' analogo
al contrasto del colore eccetto il fatto che qui lo
sfondo è acromatico. Notate che i differenti
quadranti della corona grigia hanno differente bianchezza,
in funzione dello sfondo. La sezione su sfondo nero
appare più chiara, mentre quella su sfondo bianco
appare più scura, le altre a metà.
Un altro ben noto effetto di contrasto acromatico sono
le bande di Mach, che prendono il nome da Ernst Mach,
il fisico e psicologo del diciannovesimo secolo, che
le scoprì. Le bande di Mach sono variazioni illusorie
nella percezione della bianchezza (o chiarezza) osservabili
in alcuni bordi. Nella figura 3.2.6 si vede una banda
molto più chiara nella zona chiara a sinistra
e una molto scura nella zona scura a destra. L'illusione
è descritta nel grafico sotto: la linea grigia
del grafico B mostra il profilo di luminanza e la linea
nera mostra il profilo percepito. Le bande di Mach sono
un effetto di contrasto perché la bande molto
scura e quella molto chiara dipende dal contrastyo con
le regioni adiacenti. Piu avanti nel capitolo considereremo
come le bande di Mach possono essere il prodotto dall'elaborazione
neurale.
L'adattamento
cromatico. Nella sezione 1.1.3 abbiamo menzionato il
ben noto fenomeno dell'adattamento la buio: il fatto
che il sistema visivo diventa più sensibile alla
luce dopo un prolungato periodo al buio. Il suo opposto,
l'adattamento alla luce, implica la perdita temporanea
di sensibilità alla luce dopo una prolungata
esposizione a una luce forte. Date queste forme di adattamento
non dovrebbe essere sorprendente che il sistema visivo
manifesti adattamento cromatico. La prolungata esposizione
alla luce di uno specifico colore riduce la sensibilità
del sistema visivo al colore immediatamente successivo.
Per dimostrare l'adattamento cromatico guardate la regione
rosso-verde della tavola dei colori 3.8A sotto un'illuminazione
intensa solo con l'occhio sinistro, fissando il punto
in centro. Dopo 30 secondi di adattamento guardate solo
con l'occhio destro (non adattato) e notate quanto più
sature appaiano le regioni rossa e verde. Poi adattate
il vostro occhio sinistro ancora un po' alla regione
rosso-verde e guardate la tavola 3.8B prima con l'occhio
sinistro (adattato) e poi con il destro (non adattato).
Con il sinistro la striscia rossa appare meno satura
in basso e più satura in alto. L'opposto succede
alla striscia verde, che appare più satura in
basso e meno satura in alto. La striscia gialla subisce
un mutamento cromatico drammatico a causa dell'adattamento,
e appare rossiccia in alto e verdastra in basso. Differenze
analoghe sono evidenti nella striscia blu. Notate che
nessuna di queste differenze è presente nell'occhio
destro, non adattato.
L'adattamento cromatico dà effetti clamorosi
se l'intero campo visivo è stimolato per un prolungato
periodo di tempo da una distribuzione omogenea di colore.
Uno stimolo completamente uniforme sull'intero campo
visivo è chiamato Ganzfeld, (in tedesco "campo
intero"). Indipendentemente dal colore iniziale,
ogni Ganzfeld è visto come un grigio neutrale
a causa dell'adattamento cromatico. Potete vedere questo
effetto tagliando in due una pallina da ping-pong gialla
e mettendo metà sopra ciascun occhio. Dopo pochi
minuti percepirete una nebbia acromatica (di aspetto
filmare), e non una superficie solida gialla.
Quando rimuovete le mezze palline da ping-pong gialle,
dopo il completo adattamento cromatico, il mondo vi
apparirà leggermente bluastro. Questo è
un effetto consecutivo cromatico. Questo accade perché
esiste una stretta relazione tra l'adattamento e gli
effetti consecutivi: l'adattamento cromatico causa gli
effetti consecutivi cromatici, che fanno comparire i
colori complementari. Comunque, non si tratta dello
stesso fenomeno. L'adattamento si riferisce all'abbassamento
della sensibilità a un tipo di stimolazione,
dopo prolungata esposizione allo stesso stimolo (o a
stimoli simili). Gli effetti consecutivi implicano la
tendenza verso una percezione "opposta", particolarmente
in risposta a stimoli neutrali, come lo sfondo bianco
nel caso di adattamento cromatico. [SI NOTI PERO' CHE
A SEGUITO DELL'ADATTAMENTO SELETTIVO SI PRODUCE UNO
SQUILIBRIO NELLA RISPOSTA A STIMOLI OMOGENEI, E QUINDI
UN'ILLUSIONE DI CONTRASTO]
3.2.2. Teorie della visione del colore
Abbiamo
finora descritto alcuni fenomeni riguardanti la percezione
del colore. Come abbiamo evidenziato nel capitolo 2,
i fatti sono importanti ma non sufficienti per la comprensione
scientifica. Per questa abbiamo bisogno di una teoria
della visione del colore che colleghi coerentemente
questi fatti gli uni agli altri e che faccia nuove ipotesi.
Vediamo come i teorici della percezione trattano i dati
comportamentali sul colore che abbiamo appena passato
in rassegna.
La teoria tricromatica. La prima teoria scientifica
sulla visione del colore fu proposta inizialmente nel
1777 da George Palmer e riscoperta indipendentemente
nel 1802 dal filosofo britannico Sir Thomas Young. La
teoria ipotizza che nell'occhio umano ci siano tre tipi
di recettori, che producono tre sensazioni cromatiche
primarie: rosso, verde, blu. Questa teoria, più
tardi estesa da Maxwell (1855) e Helmholtz (1867/1925),
divenne nota come teoria tricromatica di Young-Helmholtz.
Secondo Helmholtz, i tre tipi di recettori cromatici
reagiscono differentemente in funzione della lunghezza
d'onda dei fotoni assorbiti (figura 3.2.7). Un tipo
di recettori si attiva di più nella regione corta
dello spettro, dove la luce appare blu, un altro tipo
nella regione media, dove la luce appare verde, e il
terzo nella regione lunga, dove la luce appare rossa.
Ogni tipo di recettore è, in sé, "cieco
al colore", nel senso che nessun singolo recettore
può discriminare tra due differenti lunghezze
d'onda della luce. Ma poiché le funzioni dei
tre recettori si sovrappongono, ogni data lunghezza
d'onda stimola il sistema di tre recettori in gradi
differenti. Helmholtz propose che il colore percepito
dipenda dal pattern di attivazione dei tre tipi di recettori.
La teoria dei tre recettori spiega molti importanti
fenomeni della visione del colore: il fatto che ci siano
tre dimensioni nello spazio del colore; il fatto che
tre luci siano sufficienti a eguagliare qualsiasi colore
percepito; i metameri nascono semplicemente perché
lo stesso pattern di attivazione nei tre tipi di recettori
può essere prodotto da molte miscele spettrali
fisicamente distinte.
La teoria tricromatica è anche in grado di spiegare
le varietà basilari di cecità al colore.
Le tre categorie di tricromaticità nascono dall'assenza
di uno dei tre tipi di recettori. I protanopici mancano
dei recettori per le onde lunghe, i deuteranopici dei
recettori per le lunghezze d'onda medie e i tritanopici
dei recettori per le lunghezze d'onda brevi. Nei monocromatici
sono assenti due dei tre tipi di recettori. La teoria
tricromatica ebbe successo perché fu in grado
di spiegare molti fatti partendo da poche assunzioni
relativamente semplici. Come risultato, essa domina
il campo della percezione del colore da più di
un secolo.
La
teoria dei processi opponenti. Malgrado il considerevole
successo della teoria tricromatica, ci furono alcuni
fatti che essa non spiegava tanto bene, particolarmente
quelli concernenti la fenomenologia della percezione
del colore, cioè la natura dell'esperienza soggettiva
del colore. Molti di questi fatti furono utilizzati
da Ewald Hering per confutare la teoria tricromatica
e per proporre la teoria dei processi opponenti.
[RIASSUNTO
DI GERBINO FINO A P. 116]
Le osservazioni che mettono in difficoltà la
teoria tricromatica sono le seguenti:
· Nei casi di dicromatismo, i colori vengono
perduti in coppia (rosso e verde, oppure giallo e blu);
· Il giallo, che dovrebbe risultare da una miscela
additiva di rosso e di verde, appare come un colore
puro, "primario" quanto il rosso, il verde
e il blu;
· I colori sembrano orgnaizzati per "opposti",
nel senso che non ci sono esperienze di colori misti
del tipo rosso-verde, oppure giallo-blu (cui corrispondono
anche le polarità osservate nelle immagini consecutive).
La
teoria del doppio processo. Il contrasto tra la teoria
tricromatica di Helmholtz e la teoria dei processi opponenti
di Hering venne successivamente superato da una teoria
a due stadi, che distingue una prima codificazione da
parte di tre sistemi di recettori, che costituisce l'input
per un seccessivo stadio basato su processi opponenti
(Figura 3.2.12). Questa sintesi si deve in particolare
a Hurvich e Jameson (1957).
3.2.3 Meccanismi fisiologici
A
partire dal 1950, sono state effettuate varie misure
che hanno consentito di individuare i meccanismi fisiologici
sottostanti i due stadi previsti dalla teoria del doppio
processo.
Tre
sistemi di coni. E' stato possibile misurare gli spettri
di assorbimento di tre tipi di coni, specializzati per
una diversa banda di lunghezze d'onda: L (lunga), M
(media), S (short= corta). I tre tipi di coni sono di
nmerosità diversa: L: M: S= 10: 5: 1. Inoltre
al centro della fovea (per un diametro di 0.1°)
non ci sono coni S. Gli spettri di assorbimento sono
descritti nella figura 3.2.13. Le anomalie della visione
corrispondono all'assenza di un tipo di coni: i protanopi
sono privi dei coni L; i deuteranopi dei coni M; i tritanopi
dei coni S.
Cellule
per i colori opponenti. Le ricerche di Russell De Valois
(1965) e collaboratori hanno consentito di scoprire,
prima nel LGN del macaco e poi nelle cellule bipolari
e gangliari, cellule con un'organizzazione eccitatoria-inibitoria
del tipo R+G- (e simili), descritta nella figura 3.2.14.
Il modo in cui l'input dei coni LMS è ricodificato
nelle cellule opponenti è illustrato nella Figura
3.2.15.
La
riparametrizzazione nell'elaborazione del colore. La
figura 3.2.16 illustra un concetto fondamentale: l'informazione
sul colore viene rappresentata all'interno del sistema
visivo secondo diversi parametri.
Inibizione
laterale [116-121, Roberta Gottardo]. Alcuni fenomeni
di contrasto possono essere spiegati dal meccanismo
dell'inibizione laterale, illustrato in una dimensione
nella figura 3.2.17 e in due dimensioni (appropriate
per la retina) nella figura 3.2.18. E' utile distinguere
tra il campo proiettivo del recettore, composto da tutte
le cellule connesse a un dato recettore, e il campo
recettivo di una cellula gangliare, composto da tutti
i recettori ad essa connessi. Le cellule gangliari nella
retina di molti mammiferi hanno un'organizzazione centro-periferia
(center-surround). Secondo molti ricercatori, l'inibizione
laterale consente di spiegare alcuni semplici fenomeni
come il contrasto simultaneo (figura 3.2.19) o l'illusione
della griglia di Hermann (figura 3.2.20).
Un grosso problema per questa spiegazione è che
non è chiaro se l'inibizione laterale può
agire per distanze grandi (mentre il contrasto simultaneo
si ottiene fino a 10° di estensione). Ci sono due
possibilità: (a) l'inibizione laterale potrebbe
avere un raggio d'azione di frazioni di grado a livello
retinico, ma essere molto più estesa a livelli
superiori; (b) l'effetto locale dell'inibizione laterale
potrebbe propagarsi in base ad un altro meccanismo.
La griglia di Hermann (figura 3.2.20) è spiegata
molto bene dall'inibizione laterale. Le macchie grige
all'intersezione delle linee bianche sono spiegate dal
fatto che in quelle zone c'è più inibizione
da parte del bianco, rispetto a quella che c'è
nelle zone lontane dall'intersezione (figura 3.2.21).
Il fatto che non sia visibile una macchia scura nell'intersezione
corrispondente al punto di fissazione può essere
spiegato ipotizzando che in fovea ci sia meno inibizione
(rispetto alla periferia).
Vi sono tuttavia dei fenomeni di percezione illusoria
di bianchezza incompatibili con l'inibizione laterale:
uno è l'illusione di Todorovic (figura 3.2.22).
L'altro è un effetto scoperto da Agostini e Proffitt
(1993), in cui un disco grigio unificato in base al
movimento comune con dei dischi neri appare più
chiaro di un disco grigio unificato con dei dischi bianchi.
Adattamento
ed effetti consecutivi (aftereffects). In generale,
l'esposizione prolungata a uno stimolo colorato produce
riduzione progressiva di sensibilità a quel colore
(adattamento) e comparso del colore opposto in risposta
a uno stimolo neutrale (bianco, grigio). Un possibile
meccanismo, basato sulle cellule opponenti, è
illustrato nella figura 3.2.23.
Doppie
cellule opponenti. Sono illustrate nella figura 3.2.24.
Possono spiegare il contrasto di colore.
Meccanismi corticali superiori. Esistono evidenze neuropsicologiche
di deficit (acquisiti) nella rappresentazione dei colori,
diversi dalla cecità al colore di origine periferica.
Nella acromatopsia i soggetti dicono di non vedere i
colori, anche se hanno una normale capacità discriminativa.
Ci sono poi difetti nella conoscenza dei colori (soggetti
che non sono in grado di decidere quale colore sia appropriato
per un dato oggetto). Nell'anomia per i colori i soggetti
non sono in grado di denominare i colori pur vedendoli
bene.
[122-129, Roberto Gava]
3.2.4
Sviluppo della visione dei colori
Usando la tecnica del preferential looking (direzione
preferita dello sguardo), è stato accertato che
già in bambini di circa 2 mesi sono attivi tutte
e 3 i coni (forse con una minore funzionalità
dei coni S).
3.3. Elaborazione dei colori a livello delle superfici
Si osservi la costanza del colore acromatico nella figura
3.3.1. Per esempio, tutto il rivestimento appare fatto
di legno bianco, anche nella zona a sinistra, in ombra.
Questo è un problema, perché la luce riflessa
dalle superfici (quella che arriva all'occhio) è
il prodotto dell'illuminazione per la riflettanza della
superficie (figura 3.3.2). In generale, lo spettro della
luce riflessa si ottiene moltiplicando lo spettro di
riflettanza per lo spettro dell'illuminazione.
Quindi la soluzione del problema inverso "trovare
lo spettro di riflettanza dato lo spettro di luce riflessa"
è sottodeterminato (underconstrained) . La costanza
del colore non può quindi essere spiegata solo
in funzione del luce riflessa da ciascuna zona dell'immagine.
3.3.1.
Costanza di bianchezza (lightness)
La figura 3.3.3 illustra il problema: la luce riflessa
dalla zona ad alta riflettanza sotto luce artificiale
(90= 90% di riflettanza sotto un'illuminazione pari
a 100 unità) può essere di molto inferiore
alla luce riflessa dalla zona a bassa riflettanza sotto
il sole (1000= 10% di riflettanza sotto un'illuminazione
pari a 10000 unità). Come è possinile
percepire la superficie ad alta riflettanza sempre bianca
e l'altra sempre nera?
Teorie
dell'adattamento. Possono spiegare alcuni ma non tutti
i casi di costanza (per esempio quelli che coinvolgono
le ombre).
Inferenza
inconscia contrapposta alle teorie relazionali. Secondo
Helmholtz il colore di superficie può essere
inferito in base a una stima dell'illuminazione incidente.
Tuttavia è dubbio che l'osservatore sia in grado
di stimare accuratamente il livello di illuminazione.
L'ipotesi alternativa, sostenuta dagli esperimenti di
Wallach (figura 3.3.5) fa riferimento al rapporto tra
luminanze (una misura del contrasto fisico tra regioni
adiacenti).
L'importanza
dei bordi. L'illusione illustrata nella figura 3.3.6
[SI NOTI CHE QUESTO E' IL BORDO DI CORNSWEET, NON L'ILLUSIONE
DI CRAIK-O'BRIAN] dimostra che il dislivello di intensità
ai bordi è sufficiente a produrre una differenza
di bianchezza.
La
teoria Retinex. Come dimostra la figura 3.3.7, l'algoritmo
proposto da Land e McCann consente di eliminare gli
effetti delle variazioni graduali dell''illuminazione.
Anche i rapporti tra riflettanze remote possono essere
ricostruiti moltiplicando tutti i rapporti tra luminanze
adiacenti, mirurati in prossimità di un bordo.
Il
problema della scala di misura. Il problema della costanza
non è risolto dal calcolo dei rapporti tra bianchezze.
Deve anche essere definita la posizione assoluta di
ciascun colore acromatico sulla scala da nero a bianco.
L'euristica dell'ancoramento comunemente accettata si
basa sulla luminanza più elevata come bianco
(salvo il caso di regioni molto piccole, a luminanza
molto elevata, che appaiono luminose, Land & McCann,
1971 ; Wallach, 1948 ). La drammatica evidenza sperimentale
di questa regola è stata recentemente riportata
quando i soggetti guardavano i quadri di Mondrian, la
riflettanza dei quali variava dal grigio scuro al nero.
Quando i soggetti guardavano queste superfici in condizioni
isolate ( quando le altre superfici non erano visibili
) essi percepivano la LIGHTEST REGION ( la quale era
grigio scuro ) come bianca e la DARKEST REGION ( la
quale era nera ) come un grigio medio ( Catalotti &
Gilchrist, 1995 ).
Nonostante il successo della regola della HIGHEST LUMINANCE
in questi e molti altri esperimenti, comprendiamo come
non possiamo ridurre tutto a questo. Il problema è
che essa prevede che la regione di HIGHEST LUMINANCE
sia percepita come BIANCA., malgrado le persone percepiscano
certi oggetti come LUMINOSI. La luna è un buon
esempio. La sua superficie è di un grigio medio.
Essa non emette luce ma semplicemente riflette la luce
del sole. Quando è vista contro un cielo nero
notte, essa appare come SELF-LUMINOUS.
I fattori che influenzano tale percezione di luminosità
sono complessi, dipendono dalla configurazione spaziale
delle regioni come dalla loro LUMINANCES ( Li &
Gilchrist ). Una piccola regione di luce completamente
circondata da una larga regione scura - come nel caso
della luna - sono ottime per la percezione della luminosità.
BORDI
DI ILLUMINAZIONE E BORDI DI RIFLETTANZA
Abbiamo scoperto ora che i rapporti tra luminanze adiacenti
sembrano determinare la bianchezza ( LIGHTNESS ), che
questi rapporti ai bordi possono essere integrati globalmente
in una scena complessa, che la regione di maggior luminanza
è di regola percepita come bianca. Siamo ora
in grado di spiegare la costanza della bianchezza ?
sfortunatamente no, per arrivare a questo deve essere
ancora risolto un problema più complicato.
Il problema è che i bordi di luminanza nell'immagine
retinica possono essere dovuti a due tipi molto diversi
di bordi nell'ambiente:
1. BORDI DI RIFLETTANZA :i bordi di riflettanza sono
cambiamenti nella luminanza dell'immagine provocati
da cambiamenti nella riflettanza di due superfici retinicamente
adiacenti. I margini di riflettanza possono verificarsi
quando le superfici sono fatte di materiali diversi
o sono dipinte con colori diversi.
2. BORDI DI ILLUMINAZIONE :i bordi di illuminazione
sono cambiamenti nella luminanza dell'immagine provocati
da quantità diverse di illuminazione su una singola
superficie di riflettanza omogenea. I bordi di illuminazione
possono essere provocati da ombre portate, dai "riflessi"
sulle superfici speculari, fasci ristretti di luce (
come nell'illuminazione teatrale ) o da variazioni nell'orientamento
della superficie.
La
TEORIA RETINEX è accurata nell'integrare molteplici
bordi di riflettanza in uno schermo piano, ma è
grossolanamente non accurata ogniqualvolta essa incontra
un bordo di illuminazione. La ragione non è difficile
da comprendere : la teoria Retinex assume che tutti
i cambiamenti nell'illuminazione sono graduali e quindi
li sopprime, calcolando soltanto i rapporti tra luminanze
ai bordi. La teoria Retinex ottiene la costanza della
bianchezza solo se tutti i bordi netti di luminanza
che sono presenti nell'immagine sono causati dai margini
di riflettanza nel mondo.
L'importanza critica della distinzione tra i due tipi
di bordi ( di illuminazione versus riflettanza ) nella
bianchezza percepita è stata elegantemente dimostrata
dallo psicologo ALAN GILCHRIST dell'Università
di Rutgers. In uno dei suoi esperimenti, Gilchrist (1988)
mise gli osservatori in una situazione nella quale essi
dovevano guardare uno schermo formato da una particolare
disposizione di luci ed ombre, come fig.3.3.8.A egli
creò due situazioni visive che avevano identici
pattern di luminanza nella regione centrale ma contesti
diversi. La fig. 3.3.8.B mostra lo schermo del bordo
di illuminazione, e la fig.3.3.8.C mostra lo schermo
del bordo di riflettanza. In entrambi i casi la regione
sinistra più scura contiene un target quadrato,
la bianchezza percepita del quale era misurata dal confronto
di esso con l'elemento più simile in una tabella
di 16 quadrati disposti in 4 file di 4 quadrati nella
regione destra più chiara. In entrambi i casi
si richiedeva ai soggetti di indicare quale dei 16 quadrati
sulla destra incontrava quello sulla sinistra in rapporto
all'ombra di grigio percepita, in modo che se il quadrato
a sinistra era mosso fisicamente sopra la fila, i due
quadrati sarebbero sembrati uno solo.
Nella condizione del bordo di illuminazione ( fig.3.3.8B
) i soggetti potevano vedere che lo sfondo più
scuro del target sulla sinistra era provocato da un'ombra
gettata sopra la parte sinistra dello schermo. Perciò
era probabile che essi percepissero il bordo centrale
tra la metà scura e chiara come un bordo di illuminazione.
Nella condizione del bordo di riflettanza ( fig.3.3.8C
) uno schermo coprente faceva sparire tutta l'informazione
sul fatto che il bordo centrale era dovuto ad un'ombra.
Nell'assenza dell'evidenza di un'ombra, i soggetti percepivano
il bordo centrale come provocato da una differenza nella
riflettanza. Così, la differenza principale tra
le due condizioni era che il bordo centrale era percepito
come un bordo di illuminazione in un caso (B) e come
un margine di riflettanza nell'altro (C). Ma la questione
rilevante è se questa differenza abbia qualche
effetto sui giudizi di bianchezza degli osservazioni.
Gilchrist trovò una enorme differenza tra i giudizi
di bianchezza dei soggetti nelle due condizioni, come
indicato nella fig.3.3.9. Nella condizione del bordo
di riflettanza ( 3.3.9.B ) i soggetti scelsero grigi
che erano solamente un po' più chiari rispetto
ad un esatto confronto di luminanza del quadrato target
sulla sinistra.
Assumendo che il bordo centrale era dovuto unicamente
ad una differenza nella riflettanza con uguale illuminazione
su entrambi i lati. Questi soggetti apparentemente integravano
l'informazione di bianchezza dell'intero schermo, come
la teoria Retinex di LAND e McCANN aveva predetto. Nella
condizione del bordo di illuminazione ( fig.3.3.9A )
comunque, i soggetti scelsero grigi che erano drammaticamente
più chiari rispetto al confronto di luminanza.
Infatti, le loro scelte erano molto vicine alla costanza
di bianchezza, assumendo che il margine centrale era
dovuto unicamente ad una differenza nell'illuminazione.
Questi confronti sembrano essere basati su porzioni
delle regioni target di luminanza uguale ai loro immediati
contorni, senza integrazione sopra il margine centrale.
La differenza fra i risultati di queste due condizioni
non possono essere spiegati dalla sola informazione
di luminanza locale poiché le luminanze delle
regioni corrispondenti al centro dello schermo erano
identiche. L'interpretazione più soddisfacente
è che nella condizione di illuminazione, i soggetti
percepivano il bordo centrale come un cambiamento nell'illuminazione
e perciò sopprimevano i processi di determinazione
relativa alla bianchezza integrando proporzioni di luminanza
sopra questo bordo. Invece, essi assumevano che le riflettanze
su entrambi i lati del bordo centrale erano le stesse
e che tutte le differenze erano dovute all'ombra. Nella
condizione di riflettanza, comunque, le proporzioni
di luminanza attraverso il bordo centrale erano computate
in modo simile alla retina, fornendo così confronti
quasi perfetti.
Questa interpretazione suggerisce che la computazione
della bianchezza valutata sopra uno schermo complesso
contenente sia margini di illuminazione che di riflettanza
probabilmente richiede due separate rappresentazioni:
una mappa di illuminazione ( illumination map ) delle
regioni che differiscono nella somma di luce che le
colpisce e una mappa di riflettanza ( reflectance map
) delle regioni che differiscono nelle percentuali di
luce che esse riflettono. La BRIGHTNESS relativa dell'illuminazione,
in regioni della mappa delle illuminazioni può
essere integrata attraverso bordi di illuminazione,
ignorando la riflettanza ai bordi. Similmente, la bianchezza
relativa di superfici riflettenti della mappa delle
riflettanze possono essere integrate attraverso bordi
di riflettanza, ignorando i bordi di illuminazione.
Comunque, queste due elaborazioni devono essere tenute
separate.
DISTINGUERE I BORDI DI ILLUMINAZIONE DAI BORDI DI RIFLETTANZA
Un importante pezzo del puzzle è ancora mancante:
come il sistema visivo determina quali bordi sono dovuti
a differenze di illuminazione e quali a differenze nelle
riflettanze?
Numerose sono le euristiche disponibili per spiegare
questa discriminazione critica, inclusi 'FUZZINESS,
PLANARITY e RATIO MAGNITUDE.
1. Un fattore è se il bordo è sfocato
( FUZZY ) o netto ( SHARP ). I bordi di illuminazione
dovuti a ombre o proiezioni tendono ad essere sfocati
e piuttosto graduali, mentre gli angoli di riflettanza
tendono ad essere netti. In assenza di informazioni
contrarie, il sistema visivo tende ad assumere che un
bordo netto tra regioni complanari è un bordo
di riflettanza. Questo perché gli stimoli CENTER-SURROUND
di WALLACH ( fig.3.3.5 ) erano percepiti come differenze
di riflettanza piuttosto che di illuminazione, anche
se essi erano prodotti da differenze nell'intensità
di luce proiettata.
2. Un secondo fattore è la planarità.
Se l'informazione di profondità ( vedi cap.5
) indica che due regioni non sono complanari, il bordo
tra esse tenderà ad essere percepito come un
bordo di illuminazione piuttosto che un bordo di riflettanza,
anche se esso è netto piuttosto che sfocato.
La ragione è che le superfici ad una differente
profondità e/o orientamento normalmente ricevono
un diverso ammontare di illuminazione a causa del comportamento
fisico della luce.
3. Un terzo fattore è la grandezza del rapporto
di illuminazione ai bordi ( RATIO MAGNITUDE ): i bordi
di illuminazione possono produrre un maggior cambiamento
nell'illuminazione che i bordi di riflettanza. Una buona
superficie bianca normalmente riflette non più
del 90% dei fotoni di incidenza, e una buona superficie
nera ne riflette non meno del 10%. Le proporzioni di
riflettanza sono quindi diverse essendo in rapporto
di 10:1. Ma le proporzioni di illuminazione possono
essere 1000:1 o più. Quindi, se una proporzione
è 10:1 o più, una buona euristica assumerà
che è dovuta ad una differenza nell'illuminazione.
Il colore fornisce un'informazione aggiuntiva per distinguere
tra bordi di illuminazione e bordi di riflettanza, come
scopriremo tra breve quando discuteremo la costanza
cromatica del colore.
Intuitivamente, il fattore cruciale è che differenze
nell'illuminazione quasi sempre produrranno tinte (
HUE ) simili, e valori di saturazione simili sui lati
opposti del bordo, mentre differenze nella riflettanza
non lo faranno quasi mai. Per esempio, se un'ombra cade
sopra l'imposta di una finestra blu accanto ad un muro
giallo di una casa, l'imposta sarà di una certa
tonalità di blu su entrambi i lati del bordo
d'ombra, ed il muro sarà di una certa tonalità
di giallo. La riflettanza ai bordi tra l'imposta ed
il muro avrà un'enorme differenza di tinta rispetto
al lato opposto: blu su un lato e giallo sull'altro.
Parlando in generale, se l |
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