OPTICKÁ STAVBA OKA. průhledná ochrana čočky - rohovka. spojná čočka s měnitelným ohniskem. oční víčka. průhledný sklivec vyplňující kouli oční bulvy

Transkript

1 ZRAKOVÉ ÚSTROJÍ

2 OPTICKÁ STAVBA OKA Fyziologie zraku je důležitá pro pochopení některých jevů vizuální komunikace. Proto se seznámíme s vybranými problémy, které mají zásadní vliv na zrakové sdělování. Proces vidění funguje tak, že přes čočku je promítán obraz vizuální reality na sítnici, která je složena ze světlocitlivých buněk. Tam dochází k převodu elektromagnetického záření na signál elektrochemické povahy. O tom pojednává další část kapitoly. Samotné oko má několik vlastností důležitých pro vizuální komunikaci. Zakřivení (optická mohutnost) čočky je měnitelné pomocí zvláštních svalů. Umožňuje zaostření od nekonečna do přibližně 30-ti centimetrů. Rozsah tohoto zaostřování může být omezen jednak deformací čočky, jednak jejím tuhnutím, které je způsobeno stárnutím organismu, dočasně také svalovou únavou. Deformace se koriguje brýlemi s jedním ohniskem, nepružnost brýlemi se dvěma či více ohnisky (víceohniskové/multifokální čočky). Duhovka přiléhající k čočce funguje jako clona, upravuje množství světla dopadající na sítnici. Zároveň ovšem, jako ve všech optických soustavách, mění hloubku ostrosti. Hloubka ostrosti je rozmezí vzdáleností od oka, ve kterých je promítaný obraz zaostřen. Má také vliv na vidění při různých zrakových vadách. Při nižší pružnosti čočky nebo její menší tvarové deformaci vidíme ostrý obraz i bez brýlí a to tehdy, je-li realita silně osvětlena, duhovka stažena a hloubka ostrosti oka tím zvýšena. Oční víčka fungují podobně jako závěrka fotografického aparátu. Oko potřebuje během bdělosti přerušení vjemu jenom z důvodu zvlhčení povrchu rohovky tělní tekutinou. Musíme však vzít na vědomí, že při mrknutí přestáváme na zlomek sekundy vnímat realitu a krátkodobý vizuální podnět nám tak může uniknout. Závěrka očního víčka se pak zavírá tehdy, když nechceme být rušeni vizuálním vjemem. Je to zejména při odpočinku, ale také v některých mimořádných životních situacích. Víčko slouží např. jako ochrana jemných očních tkání před vnějšími vlivy, jejichž extrémní podoby je mohou trvale poškodit. Například příliš silné světlo, k němuž řadíme i laserové paprsky, mohou trvale znehodnotit (vyřadit z funkčnosti, oslepit) část sítnice, na níž dopadnou. Nepodmíněný reflex do jisté míry chrání oko tak, že světlo silné intenzity působí bolest a okamžitě oční víčko uzavírá. průhledná ochrana čočky - rohovka spojná čočka s měnitelným ohniskem oční víčka coby pomocná závěrka soustavy průhledný sklivec vyplňující kouli oční bulvy světlocitlivá vrstva - sítnice s tyčinkami a čípky žlutá skvrna, největší hustota čípků a tyčinek, největší ostrost vidění slepá skvrna, žádné vidění okem pozorovaná realita duhovka s proměnlivým otvorem coby mechanická clona soustavy převrácený obraz pozorované reality vytvořený čočkou na sítnici zrakový nerv směřující do mozku 2

3 CITLIVOST ZRAKU Zraková soustava jako celek složený z očí, nervových drah a center zpracování v mozku má dvojí typ citlivosti. Jednak na celkové množství světelné energie (kvantita), které vyhodnocujeme jako stupeň jasu, jednak na spektrální charakter záření (kvalita), který vyhodnocujeme jako barvu. U barvy pak dokáže člověk dále rozlišovat její sytost, tedy spektrální čistotu, což je množství příměsí jiné vlnové délky k základní vlnové délce, která energeticky dominuje. Protože je citlivým orgánem plocha sítnice složená ze sítě prvků, dokážeme také rozlišovat umístění prvku v ploše zorného pole. Existence dvou odlišně umístěných očí se dvěma sítnicemi člověku umožňuje porovnáním obrazů reality viděné ze dvou různých míst uvědomit si umístění prvků nejen v ploše, ale také v trojrozměrném prostoru. Jelikož světlocitlivé buňky sítnice reagují průběžně v toku času, dokážeme vnímat také časové změny uvedených vlastností prvků, tedy změny jasu, barevnosti a její sytosti i změny umístění v ploše či prostoru (pohyb). Možnost rozlišení vlastností všech jednotlivých prvků nám umožňuje uvědomit si vzájemné rozdíly jejich vlastností tedy kontrast jejich jasu, barvy i její sytosti. Citlivé buňky v sítnici reagují na část elektromagnetického záření přibližně mezi 360 a 700 nanometry, jiné záření nevidíme očima, ale mohou na ně okamžitě nebo dlouhodobě reagovat další části těla a vyhodnocovat je jako teplo. Všechny záření přístupné části těla mohou reagovat dočasnou změnou (př. zbarvením) nebo degeneračním procesem tkání. Jak už bylo řečeno, na množství energie reaguje zrakový systém počitkem výšky jasu. Je nastaven tak, aby dobře zvládal velké jasové rozdíly mezi šerosvitem nočního měsíce a zasněženou plání rozzářenou poledním sluncem. Na velké rozdíly osvětlení desítek tisíc luxů reagujeme počitkem podobné změny, jako při malých rozdílech desítek luxů. Například při snížení osvětlení: budeme vnímat stejný rozdíl jako při snížení: z luxů na luxů ze 160 luxů na 80 luxů. Citlivost oka má logaritmickou charakteristiku, což vidíme na následujícím grafu luxů 1000 luxů 100 luxů 10 luxů 1 lux osvě tlení velikost odezvy zraku poč itek jasu 3

4 Pro každou barvu má zrakový aparát jinou celkovou energetickou citlivost, to znamená, že pro docílení vjemu barvy stejného jasu jsou u odlišných částí spektra potřebné jiné energetické dávky záření. Nejcitlivější je člověk na střední část viditelného spektra, které má žlutozelenou barvu. Odezvy zrakového aparátu můžeme měřit pomocí srovnávacích metod subjektivního charakteru. Pro měření křivky spektrální citlivosti citlivých vrstev, tedy i sítnice, se užívá například tento testovací obrazec, kde porovnáváme subjektivně vnímaný jas různých částí spektra s jasem šedé stupnice. Označíme místa stejného jasu sousedících pásů. Jejich spojením vznikne křivka charakterizující průběh citlivosti v rámci rozsahu viditelného záření. Přístrojová měření nám umožňují sledovat práh citlivosti, případně úplnou necitlivost pro různé vlnové délky záření. Absolutní práh citlivosti pro intenzitu světla různých vlnových délek je odlišný pro čípky a tyčinky. Čípky jsou méně citlivé. Protože v centru sítnice převažují a na jejích krajích nikoli, je okrajová část sítnice citlivější. Z hlediska rozsahu viditelného spektra jsou čípky i tyčinky nejcitlivější na žlutozelený střed spektra, směrem k jeho krajům citlivost klesá, postupně až k nule. Srovnání absolutní prahů citlivosti vůči jednotlivým částem spektra tyčinek (dole) a čípků (nahoře). 4

5 K měření síly i spektrálního charakteru záření odráženého do lidského oka jsou k dispozici objektivní měřiče typu jasoměrů a kolorimetrů. Zjednodušený pohled na odezvu světlocitlivých buněk sítnice říká, že čípky jsou na rozdíl od tyčinek citlivé nejen na jas, ale i na barvu. Musíme si ale uvědomit, že všechny buňky sítnice citlivé na světlo dokáží reagovat pouze na velikost energie na ně dopadající. Jestliže si však mezi sebou rozdělí práci, dokáže nám mozek vytvořit vědomí stovek barevných odstínů a pracovat s poměrně velkým rozsahem citlivosti od nočního šera po vysoké jasy zasněžených slunečných plání na horách. Buňky se schopností vnímání velkého rozsahu jasů tyčinky jsou citlivé na celé viditelné pásmo elektromagnetického záření, buňky s menším rozsahem vnímání jasů čípky jsou citlivé podle typu jen na jednu třetinu pásma viditelného spektra. Třetina čípků je citlivá pro oblast, kde převažuje vjem modré barvy, třetina pro zelenou a sousední délky, třetina pro záření vyvolávající vjem červených odstínů. Barvu si mozek vypočítá stejně jako třívrstvý barevný film nebo tříbarevné snímací čipy porovnáním síly signálu čidel jednotlivých částí spektra. 5

6 součet modrého a žlutého světla vjem bílé součtem červeného, zeleného a modrého světla Nahoře vzniká vjem bílé součtem dvou doplňkových barev žluté a modré, dole součtem tří základních barev modré, červené a zelené. Vjem bílého světla se dosahuje buď rovnoměrným zastoupením (ve vztahu k citlivosti zraku) všech částí viditelného spektra, nebo volbou 2, 3 i více výseků spektra, které svým součtem signálů ze tří odlišných typů čípků vytvoří v našem vědomí neutrální vjem. (Zjednodušená schématická vizualizace.) 6

7 Dráždí-li viditelné světlo čípky vyváženě celkové barevné citlivosti zrakového aparátu, vnímáme barevně neutrálně, tedy bílou, nebo šedou. Jakmile je některá část viditelného spektra oslabena, nebo dokonce zcela chybí, získává náš vjem barevný charakter. K oslabení některé části spektra vedoucímu k následnému zbarvení vjemu, dochází buď přímo ve světelném zdroji, nebo při cestě paprsku světla z něj. Druhá z možností barevné filtrování může proběhnout buď při průchodu průsvitným prostředím nebo při odrazu od plochy na rozhraní dvou prostředí. Praktický příklad na obrázku: Při osvětlení prostředí neutrálním bílým světlem, za které můžeme považovat například polední slunce, vzniká barevný vjem tehdy, když se z neutrálního záření světelného zdroje (slunce) část odstraní (odfiltruje) buď žlutým sklem nebo při odrazu od žluté desky. Jednu z barevných odchylek představuje teplota chromatičnosti odpovídající tepelnému nažhavení světelného zdroje, jak bylo uvedeno v předchozí kapitole. Teplotu chromatičnosti mohou upravovat ale také různé filtry, ať již průchozí nebo odrazné. Typickým přirozeným filtrem snižujícím teplotu chromatičnosti je zemská atmosféra. Při prodloužení dráhy slunečních paprsků procházejících atmosférou, kdy je slunce nízko nad obzorem, se rozptylem i průchodem vodními prvky ovzduší pohlcuje více modrého záření a světlo je teplejší. Při rychlých změnách nebo současném vnímání dvou zdrojů odlišné teploty chromatičnosti oko rozdíly vnímá. Při pomalých změnách (např. při klesání slunce k obzoru do mlžného oparu) zrakové ústrojí změnu vyrovnává, světlo proto vnímáme stále neutrálně bílé. To je speciální vlastnost zrakové soustavy, která bude vyložena později. Pro sčítání barevných podnětů by bylo možné vytvořit další názorná schémata včetně energetických grafů, pro vizuální praxi jsou však poučnější praktické pokusy s barevnými světly nebo filtry. V předchozí kapitole byla již zmínka o kolorimetrickém trojúhelníku, jako optimálním schématu pro zobrazení barevných vztahů včetně barevného mísení. Konstrukce tohoto trojúhelníku staví na skutečnosti, že každý tón viditelného spektra nějakým způsobem dráždí všechny odlišně citlivé vrstvy sítnice (tzv. modrocitlivou, zelenocitlivou a červenocitlivou), například pro barvu v bodě A má dráždění nejvyšší odezvu u modrocitlivé, menší u zelenocitlivé, nejmenší u červenocitlivé. 7

8 Projdeme-li celou viditelnou stupnici záření, dospějeme k hodnotám, které zachycují křivky na níže uvedeném grafu. Ty jsou pak základem konstrukce kolorimetrického trojúhelníku: Podrobnější studium konstrukce kolorimetrického trojúhelníku vycházejícího z kombinace citlivosti tří typů světlocitlivých buněk sítnice vede k pochopení barevných tónů jako subjektivního fenoménu našeho vědomí. 8

9 Prvotním významem pojmu barva je ta vlastnost zrakového počitku (patří tedy tento pojem do oblasti psychosenzorické), kterou se odlišují dvě bezstrukturní části zorného pole stejného tvaru a rozměru. Bezstrukturní částí je zbytek vjemu po odečtení dojmu prostorového rozložení, rozměrů a časové proměnnosti od zrakového počitku. Zpravidla je tato odlišnost dána spektrálním složením světelného podnětu (záření) vstupujícího do oka. Rozdíl mezi uvedenými dvěma částmi zorného pole je tedy zpravidla dán rozdílem ve spektrálním složení záření. Výjimkou jsou metamerní barvy, které i při rozdílném spektrálním složení vzbuzují stejný počitek barvy.tato vlastnost zbytek počitku (vjemu) se obvykle vyjadřuje slovy červený, zelený, modrý, žlutý, apod. V obecném vyjadřování se pojem barva přenáší i na vlastnost světla (světelného podnětu) a předmětů hovoří se o barvě světla nebo o barvě předmětu, popř. o barevném světle o barevném předmětu. Pojem barevný se často nesprávně omezuje jen na pestré barvy správně je však nutno také bílou, šedou, černou (tedy barvy nepestré) pojímat jako barvy. V oblasti kolorimetrie (měření barev) se používají pojmy ze tří oblastí, které je nutno dobře rozlišovat, a zároveň si dobře uvědomovat jejich vzájemný vztah. Jde o pojmy z oblasti fyzikální (barevný podnět, resp. jemu nadřazený pojem světelný podnět a jeho spektrální složení), psychofyzikální (chromatičnost, kolorita) a psychosenzorické (vlastní pojem barva). 1 Fyzikálně je počitek barvy určen spektrálním složením barevného podnětu spektrálním složením záření vysílaného světelným zdrojem, prošlého tělesem nebo odraženého od povrchu. Spektrální složení barevného podnětu je objektivně zjistitelnou a měřitelnou fyzikální realitou, bez zřetele ke zrakovému orgánu. Vyhodnocování záření (barevného podnětu) zrakovým orgánem (jeho chromatickými analyzátory) spadá do oblasti pojmů psychofyzikálních, které vystihují schopnost barevného světla, resp. barevných předmětů vzbuzovat barevné počitky a vyjadřují ji v určité číselné soustavě. Při jejich stanovování se vyhodnocuje fyzikální realita (barevný podnět o určitém spektrálním složení) podle vlastností zrakového orgánu (jeho citlivosti k barvám). Chromatičnost, vyjadřující barevné vlastnosti světla (prvotních zářičů), je určena spektrálním složením záření vysílaného zdrojem (tedy zdrojem vysílaným barevným podnětem) udává se zpravidla v trichromatických souřadnicích. Kolorita, vyjadřující barevné vlastnosti předmětů (druhotných zářičů), je určena spektrálním složením záření zdroje předmět osvětlujícího a spektrální odrazností nebo propustností předmětu ozářeného, která má za následek změnu spektrálního složení záření předmětem prošlého nebo jím odraženého, i změnu intenzity záření kolorita je tedy určena barevným podnětem vycházejícím od předmětu udává se zpravidla trichromatickými souřadnicemi (chromatičností) a poměrným množstvím odraženého nebo prošlého světla. V oblasti psychosenzorické (vjemové) se používá pojmu barva k vyjadřování vlastností vjemu. Skutečně vnímaná barva barevný vjem závisí na vlastnostech zrakového orgánu pozorovatele i na stavu jeho recepčních orgánů (jasová a chromatická adaptace, únava zraku) a na podmínkách pozorování (jas v zorném poli, jasový i barevný kontrast), jakož i na psychickém stavu pozorovatele a na jeho psychologii. Stejným vlivům podléhá i vnímání rozdílů barevných vjemů, které je daleko složitější. Proto při vystihování rozdílů barevných vjemů je nutno omezit se na lépe zvládnutelnou psychofyzikální stránku a porovnávat pouze vlastnosti barevných podnětů v metrické soustavě. Vzhledem k této mnohoznačnosti se doporučuje používat pojmu barva pouze v jeho primárním významu, tj. pro vlastnost zrakového počitku. K vyjadřování vlastnosti světla a předmětů se doporučuje používat především psychofyzikálních korelátů a psychosenzorických pojmů pro psychosenzorický pojem barvy předmětu je to kolorita. K označování vlastností světla nebo předmětu v psychosenzorickém smyslu se doporučuje nepoužívat prostého výrazu barva, ale vždy širšího označení barva světla nebo barva předmětu. Jde-li pouze o fyzikální stránku barvy, doporučuje se zásadně pojem barevný podnět. Kolorimetrická měrná soustava. K vyjádření chromatičnosti a kolority jako číselné charakteristiky barvy světla a předmětů se používá trichromatické soustavy. V kolorimetrické trichromatické soustavě v podstatě lze adičním mísením tří vhodně zvolených měrných barevných podnětů ( základních světel ) soustavy vzbudit vjem kterékoliv barvy. Kolorimetrická množství těchto měrných podnětů jsou přitom měřítkem, jímž lze charakterizovat danou barvu ta se vystihuje buď množstvím tříbarevných podnětů trichromatickými složkami, nebo jejich poměrem trichromatickými souřadnicemi. 1 ČSN Měření barev 9

10 V mezinárodní kolorimetrické soustavě CIE (XYZ) jsou měrné barevné podněty (měrná světla) soustavy ireálné, fyzikálně nerealizovatelné. Důvodem takovéto volby měrných podnětů je, že v tom případě jsou všechny trichromatické složky (a tím i trichromatické souřadnice) všech reálných barev kladné. Trichromatická soustava CIE 1931 (XY) je definována hodnotami trichromatických členitelů CIE x( ), y ( ), z ( ), což jsou poměrná kolorimetrická množství měrných barevných podnětů X, Y, Z, popisující jednotlivé monochromatické složky izoenergetického spektra. Hodnoty trichromatických členitelů CIE 1931 jsou odvozeny pro podmínky přísně foveálního vidění, tj. vnímání barev ústřední jamkou sítnice obsahující pouze čípky platí proto pouze tehdy, zaujímá-li zorné pole prostorový úhel nejvýše 1,5. V praxi však záření vzbuzující vjem barvy vniká do oka pod značně větším pozorovacím úhlem. Proto byl stanoven doplňkový pozorovatel CIE 1964 pro pozorování pod větším zorným úhlem, tedy těmi místy sítnice, kde jako receptory kromě čípků spolupůsobí i tyčinky a kde je žluté zbarvení sítnice odlišné od zbarvení v ústřední jamce sítnice. Jeho trichromatické členitele byly stanoveny z měření pro zorný úhel 10 a jsou proto značeny x10 ( ), y10 ( ), z10 ( ). Trichromatických členitelů normálního pozorovatele CIE 1931 x ( ), y ( ), z ( ) se užívá vždy, uvažuje-li se pozorování v zorném úhlu do 4 typickým příkladem je pozorování barevných signálních světel, která jsou často vnímána jako zdroje bodové. Trichromatických členitelů doplňkového pozorovatele CIE 1964 x10 ( ), y10 ( ), z10 ( ) se má přednostně užívat tam, kde se v praxi pozoruje barva (barevná plocha) v zorném úhlu větším než 4 tyto poměry převažují při pozorování povrchových barev. Každou barvu (v psychofyzikálním slova smyslu) je možno napodobit (je možno imitovat stejný vjem barvy) adiční směsí určitých množství tří měrných podnětů X, Y, Z kolorimetrické soustavy. Tato množství měrných podnětů simulující danou barvu (její koloritu, resp. chromatičnost), se nazývají trichromatické složky daného barevného podnětu. Vypočítávají se integrací součinů spektrálního složení barevného podnětu ( ) a trichromatických členitelů x ( ), y ( ), z ( ), resp. x 10 ( ), y 10 ( ), z 10 ( ) v celém rozsahu viditelného spektra označují se X, Y, Z, resp. X 10, Y 10, Z 10. Jsou dány vztahy X k ( ) x ( ) d resp. X 10 k ( ) x 10 ( ) d Y k ( ) y ( ) d Y 10 k ( ) y 10 ( ) d Z k ( ) z ( ) d Z 10 k ( ) z 10 ( ) d Protože k plnému vystižení vjemu barvy je třeba jej charakterizovat třemi čísly, je k jeho plnému znázornění třeba použít trojrozměrného prostorového zobrazení kolorimetrického prostoru XYZ. Orientace kolorimetrického prostoru je určena třemi vzájemně kolmými osami, na které se vynášejí hodnoty trichromatických složek X, Y, Z, (resp. X 10, Y 10, Z 10 ). Prostorové zobrazení je velmi nepraktické; proto se pro geometrické znázornění používá zpravidla rovinný řez kolorimetrickým prostorem kolorimetrický trojúhelník (diagram chromatičnosti) xy. V něm je chromatičnost vyjádřena dvěma souřadnicemi, které vystačují k popisu barevných vlastností izolovaného světla (jeho jas je popř. možno uvést jako číselný údaj přiřazený příslušnému bodu barvy). K vyjádření kolority popisující barevné vlastnosti předmětů (obecně druhotných světelných zdrojů) je třeba třetího údaje pro vyjádření relativní intenzity odraženého nebo prošlého záření. Zpravidla se uvádí činitel jasu, odrazu nebo prostupu; tento fyzikální údaj odpovídá psychosenzorickému pojmu světlost. 10

11 JAS, BARVA A KONTRAST Jak bylo uvedeno, viditelné stejně jako další záření fyzikálně charakterizují především tři vlastnosti: energie, vlnová délka a spektrální čistota. Spektrální čistota spočívá v množství příměsí dalších vlnových délek, které záření obsahuje. Energii vyhodnocuje zrak jako jas (světlý tmavý tón), vlnovou délku jako barvu (pro barvy existují stovky termínů, které ovšem často směšují všechny tři roviny klasifikace), spektrální čistotu jako sytost (bleděmodrá, šedomodrá ). Z uvedených vlastností je možné vytvářet kontrastní kombinace, které jsou postižitelné ve fyzikálních jednotkách, mají však význam především pro subjektivní zrakové vnímání. Kontrast znamená rozdíl a udává se jako poměr hodnot vyššího a nižšího jasu, vyšší a nižší sytosti nebo vzájemné polohy dvou tónů v kolorimetrickém trojúhelníku. Nejvyšší jasový kontrast vytváří bílá a černá, nejvyšší sytostní kontrast barevně čistý a barevně neutrální tón. U maximálního barevného kontrastu jde o dva opačné tóny, který se nacházejí na protější straně obvodu kolorimetrického trojúhelníku, spojíme-li je úsečkou vedoucí přes centrum plochy s neutrálně bílou (viz obrázek dále). Maximálně kontrastním dvojicím barev říkáme doplňkové, neboli komplementární barvy. Barevně neutrální jas při nebarevném vnímání (např. při úplné barvosleposti) vyhodnocujeme na tzv. stupnici šedých od bílé do černé. Černá přitom může být zrakem vyhodnocena stejně při absenci jakéhokoliv viditelného záření, tak při jeho slabé energii, která nedokázala podráždit sítnici. Barevný jas vyhodnocujeme na stupnici klesající od daného tónu k černé. Maximální a minimální kontrast jasový: Nejmenší pozorovatelný rozdíl mezi intenzitami světla je relativní a rosta v závislosti na intenzitě světla, jak bylo ukázáno na grafu v úvodu předchozí stati. Vlnovou délku zrak vyhodnocuje jako barvu. Vzhledem k charakteru spektrální citlivosti zraku, může být tentýž barevný vjem vytvořen vnímáním jediné vlnové délky záření, dvou či více různých vlnových délek, nebo vnímáním větších vhodně zvolených pásem viditelného spektra. Maximální a minimální kontrast barevný: 11

12 Jak nejméně spektrálně rozdílné barvy dokážeme rozeznat? S výjimkou okrajů viditelného spektra rozeznáme rozdíl přibližně dvou nanometrů. Na fialovém a purpurovém okraji odlišíme rozdíl jen asi šesti nanometrů. To znamená, že rozeznáme něco málo přes 150 spektrálních barev. Pokud vezmeme v úvahu další dvě vnímatelné kvality barev, jas a sytost, jsme schopni rozeznávat přes 7 milionů barevných odstínů. Spektrální čistotu vyhodnocuje zrak jako sytost barvy, která se pohybuje od syté, přes bledou až do bílé. Pro dané podmínky pozorování a při hladině osvětlení v mezích fototopického (denního) vidění vykazuje barevný podnět dané barvy přibližně konstantní sytost pro všechny hladiny osvětlení, vyjma osvětlení velmi vysoké intenzity. 2 Maximální a minimální kontrast sytostní: Různé světlocitivé vrstvy (sítnice, fotochemické emulze ad.) mohou světelný kontrast snižovat, zvyšovat nebo předávat dále beze změny. Jde o speciální senzitometrickou problematiku z níž upozorníme jen na základní principy. Vztah dopadající světlené energie ( ) a odezvy citlivé vrstvy ( ) se nejlépe zobrazuje prostřednictvím následující vizualizace tzv. senzitometrické charakteristiky. Charakterizuje-li tento vztah linie ležící pod úhlem nižším než 45, je kontrast vrstvou snižován, nad 45 je zvyšován. Pokud vztah necharakterizuje přímka, ale křivka, jde o jev běžné nedokonalosti, kdy při hranicích své citlivosti vrstva reaguje odlišně. Pokud přímka nebo křivka nemá konce u zeleného minima nebo maxima (viz.. tečkovaná varianta), znamená to, že systém neumožňuje pracovat s hranicemi jasové stupnice (např. s bílou nebo černou). Senzitometrickou charakteristiku lze výhodně využít pro různé praktické výpočty i názorná vysvětlení, pokud do grafu dosadíme konkrétní hodnoty světelné energie a odezvy vrstvy. 2 ČSN EN ed. 2, s

13 ZKRESLENÍ BAREVNÉHO VJEMU Zrakový vjem je barevně ovlivněn nejen charakterem povrchu předmětů, ale také vlastnostmi na ně dopadajícího světla. V zásadě můžeme vnímat barvu předmětu tehdy, je-li osvětlen světlem, které danou barvu také obsahuje. Běžné denní světlo obsahuje všechny části viditelného spektra. Ranní anebo večerní je už ochuzeno o modré části, podobně jako světlo žárovkové. Některé umělé výbojkové světelné zdroje obsahují jen velmi úzkou část barevného spektra, např. oranžové tóny, všechny ostatní barvy předmětů se při osvětlení jimi jeví našemu zraku jako černé. Většina umělých zdrojů má jistou odchylku od denního světla, a proto způsobuje alespoň malé ztmavnutí některých barevných odstínů oproti jiným (viz faktor podání barev). Tato skutečnost nás v praktické vizuální komunikaci vede k užívání pouze výrazně odlišných signálních barev, u kterých nehrozí záměna při nestandardním osvětlení. Na obrázku si všimněte, že se při užití barevného osvětlení také zvyšuje kontrast mezi tóny, které světlo obsahuje (žlutá, oranžová) a tóny, které neobsahuje (zelená, azurová, purpurová). Podobný problém nastane, budeme-li svět pozorovat přes barevný filtr, například přes modré, žluté, zelené nebo růžové sluneční brýle. Barevný filtr brýlí ztmaví některé tóny reality. Zpočátku budeme vnímat prostředí zbarvené podle odstínu skla brýlí. Po určité době se zrak přizpůsobí, prostředí budeme vnímat již jakoby bezbarvými brýlemi, zůstane však zvýšený kontrast mezi tóny, které sklo brýlí propouští a tóny, které nepropouští. 13

14 ZORNÉ POLE Zorné pole je oblast, kterou můžeme vidět, aniž pohneme okem. Asymetrická zorná (monokulární) pole jednotlivých očí se vzájemně doplňují v symetrickém binokulárním zorném poli. Při projektování komunikačních prvků pracujeme s různými výřezy binokulárního zorného pole, ale také se zvětšeným polem pohledovým (vzniká při pohybu otáčení očí) a zvětšeným polem obhledovým (vzniká při otáčení hlavy). Z hlediska praktických potřeb hodnotíme různé výřezy pole ve vodorovném rozsahu: 20 jako optimální 60 jako normální 120 jako funkční 220 dosažených otočením hlavy bez otáčení trupu jako maximální Ostře vidíme jen předměty v samotném středu zorného pole o ploše asi 1-2 (žlutá skvrna). Nachází se v ní světlocitlivých čípků. V tomto centru je zdravé oko schopno rozeznat nejmenší detail o velikosti 5'. Nedaleko centra se rovněž nachází slepá skvrna (značena černě). V jejím místě nevidíme nic. Barevně vnímáme předměty jen v oblastech přibližně vymezených následujícím schématem. Naznačuje, že nejmenší plochu spolehlivého tonálního rozlišení má zelená, největší žlutá. Z toho plyne poučení pro současné vnímání více barevných signálů v různých, i okrajových částech zorného pole. Dvojice šipek v okrajové části zorného pole naznačuje, že zrakový systém je zde citlivější na rozlišení časových změn, než ve svém středu. Znamená to mj., že v okrajích zorného pole rozlišujeme lépe časové změny, což ověří jednouchý pokus pohledu na kmitající zářivku, kterou máme nejprve ve středu pole a poté na jeho okraji. Ve středu svítí plynule, na kraji pole bliká frekvencí střídavého proudu 50 cyklů za sekundu Monokulární zorné pole pravého oka. (Vnímání barev podle Chundela, L.: Ergonomie, Praha, 2001, s. 54.) 14

15 Monokulární zorné pole levého a pravého oka se překrývají ve střední fialové ploše. Kružnice vymezují úhly po 10. VODOROVNÝ ROZSAH ZORNÉHO POLE: 20 - optimální zorné pole (umožňuje vysoké rozlišení detailů) 60 - normální zorné pole (umožňuje spolehlivé rozlišení barev) funkční zorné pole překrytí monokulárních polí (umožňuje optimální prostorový vjem) maximální zorné pole zorné pole pohledové a obhledové (dosažitelné otáčením očí a hlavy, bez otočení těla) SVISLÝ ROZSAH ZORNÉHO POLE: 70 od vodorovné roviny směrem dolů, 55 směrem nahoru (bez pohybu očí a hlavy) Při projektování vizuální komunikace pracuje s několika typy zorných polí, přičemž se bere v úvahu nutnost rychlé identifikace zrakových vjemů, možnost otáčení hlavy, schopnost rozlišit barevné odstíny ad. faktory. Barevné sdělovače s rizikovými funkcemi by měly být umístěny v rámci optimálního zorného pole. Na okraji normálního zorného pole pak jen plošně větší komunikační prvky nebo sdělovače nevyžadující barevné rozlišení. 15

16 Podrobná základní data dotýkající se zorného pole (Henry Dreyfuss, 1960): V horní části jsou zajímavé zejména úhlové limity pro vnímání barev, grafických symbolů a textu. Také rozdíl mezi částí zrakového pole viditelnou oběma očima a jen jedním okem. Střední a dolní část řeší zejména otázky vzdáleností od oka a poukazuje na asymetrii užitnosti zrakového pole ve vztahu k vodorovné ose. Číselné hodnoty se mohou u různých autorů mírně lišit. PRAKTICKÁ VIZUÁLNÍ KOMUNIKACE - ZRAK 3/ 16

17 VIDĚNÍ ZA ŠERA A BARVOSLEPOST Jak už bylo uvedeno, sítnice oka reaguje na světlo díky dvěma typům světlocitlivých buněk, čípkům a tyčinkám. Tyčinky jsou jednoho druhu, na odlišné vlnové délky světla reagují stejně, proto nerozlišují barvy. Barevné rozdíly vnímáme díky prvkům zvaným čípky. Nacházejí se především v centrální části sítnice. Čípky umožňují ostré barevné vidění, ovšem nejsou tak citlivé světlo, aby nám umožnily vidět i za šera nebo v noci. Tehdy nám slouží tyčinky, proto v noci, pokud se nenacházíme v dostatečně osvětlených prostorách, nevidíme barevně a tak ostře jako čípky. S tím je třeba počítat pro použití barev a malých detailů ke komunikaci v noční době. Při černobílém nočním vidění zaniká také užitek barevného kontrastu, sloužící k dobrému odlišení prvků reality (viz první noční obrázek). Proto musíme barevné prvky pro noční užití dobře zpracovat i z hlediska nebarevného jasového kontrastu (druhý, noční obrázek). Pokud se na spodní obrázek s číslicí vlevo podíváme za nočního šera, číslici nerozeznáme, uvidíme nebarevnou kompozici skvrn, jako je na obrázku vedle, vpravo. Podobně nebarevný výsledek uvidí za plného světla barvoslepý člověk. Proto se takové obrázky užívají také jako test na odhalení barvosleposti zejména pro profese, které jsou závislé na kvalitní barevné vizuální komunikaci. 17

18 Následující zkušební obrazec není kvalitně provedený, jeho prvky různých barev nemají stejný jas, proto je obrys deštníku rozeznatelný i při nebarevném vidění. ROZLIŠOVACÍ SCHOPNOST ZRAKU Schopnost rozlišení detailů ovlivňují všechny části zrakové soustavy optická i nervová. V optické části je kvalita rozlišení dána možností maximálního zaostření obrazu vizuální reality promítaného čočkou na citlivou vrstvu sítnice, dále tzv. hloubkou ostrosti promítaného obrazu a pak rozptylem světla v průhledných tkáních oka způsobeném zejména jejich degradací. V nervové části je dána počtem světločivných prvků v daném místě sítnice a kvalitou zpracování poměru jasů sousedících ploch, zejména při zesilování slabého signálu. I v lidské zrakové soustavě se vyskytuje problém známý z elektroniky vizuální šum. Problém zrakové ostrosti vázané citlivostí vnímání kontrastu má mj. svou vývojovou kvalitu. Dítě po narození vidí neostře a se sníženým kontrastem, jak je znázorněno na fotografiích představujících vjem jedno-, dvoua tříměsíčního dítěte. 3 Do šestého měsíce se ostrost vidění zásadně zlepší. Kvality zdravého dospělého jedince, jíž je věnována čtvrtá fotografie dosáhne dítě postupně mezi prvním a pátým rokem života. Do nekvalitního stavu prvních tří fotografií se může zrak dostat opět v závěru života, pokud je silně narušena kvalita čočky (šedý zákal), sklivce (zákaly) nebo sítnice (odchlípnutí nebo odumření) příp. zrakového centra v mozku. 3 Ginsberg, A.: Contrast perception in the human infant, nepublikovaný rukopis,

19 Podobnost problematiky zrakové soustavy s technickými fotochemickými i fotoelektrickými systémy vede k hodnocení kvality rozlišení pomocí tzv. funkce přenosu kontrastu. Bez užití této funkce se rozlišovací schopnost hodnotila počtem čar na milimetr, který při zobrazení danou soustavou bylo ještě možné okem subjektivně rozlišit. K testování pak slouží známé obrazce s různou hustotou čárových rastrů, které se podle potřeby měření umísťují do jednotlivých částí měřeného pole soustavy (do středu, ke krajům apod.). Testovací obrazce jsou užitečné také proto, že používají typické ukázky méně čitelných prvků, nebo protikladné dvojice lépe a hůře čitelných. 19

20 Testovací obrazce s různými hodnotami čar na milimetr. Pokud je ale lidská zraková soustava přímo objektem této zjednodušené formy měření, není možné uvádět hodnotu rozlišení v počtech čar na milimetr, ale v hodnotě minimálního úhlu, který obsáhne nejmenší rozlišitelný detail reality. Říká se mu kritický detail a jeho velikost dosahuje u člověka hodnoty průměrně 5 6 prostorověúhlových minut. (O výpočtu kritického detailu v ergonomické stati kapitoly Sdělovače a ovládače.) Musíme si také uvědomit, že maximální hodnota rozlišení oka zdravého dospělého člověka platí pouze pro kontrastní detaily při dostatečném osvětlení. Platí pro střed zorného pole, neboť ten je promítán na sítnici do místa tzv. žluté skvrny, která obsahuje vyšší hustotu nervových zakončení než ostatní části. 5'- 6' kritický detail kritický detail kritic. detail 1 metr 2 metry 3 metry Rozlišení je zrakový systém schopen dosáhnout také za podmínky dostatečně dlouhé expozice, tedy doby pozorování. Pozorujeme-li nepohyblivé prvky, mluvíme o měření zrakové ostrosti statické, pozorujeme-li pohyblivé prvky o zrakové ostrosti dynamické. Při pohybu prvků do rychlosti 20 za sekundu se dynamická ostrost neliší od statické. Při vyšší rychlosti dochází ke zřetelnému poklesu. Rozlišení pro vodorovné pohyby je o něco horší než pohyby svislé. 4 Rozlišovací schopnost oka v rámci zorného pole přirozeně od středu ke krajům klesá. Při běžném vnímání to nevadí, protože středem zorného pole pohybujeme postupně na všechna místa, která potřebujeme přečíst podrobněji. Jsou však situace, kdy musíme vnímat najednou více detailů zorného pole, například skupinu sdělovačů nějakého stroje. Potom je nezbytné, aby sdělovače vzdálené od středu pracovaly s většími prvky. Jde o podobný problém jako při rozlišování barev mimo střed zorného pole. Sledujte jedním okem následující schéma tak, že zaměříte pozornost do středu a přitom se pokusíte vnímat tvary písmových znaků na okraji zorného pole. 4 Janoušek, J., Hoskovec J., Štikar J.: Psychologický výkladový atlas, Praha, 1993, s. 9 20

21 k d s c p g m w x a b o p g s n c i e j e d c s a o p k m s c x Na ostrost každé optické soustavy má vliv také její zaclonění. Je-li vyšší hladina osvětlení, oko reaguje stažením duhovky (světelné clony), vidění má vyšší hloubku ostrosti, v rovině sítnice je proto ostřejší a může tak dorovnat i malou dioptrickou vadu, nebo alespoň snížit námahu při akomodaci. Co je to hloubka ostrosti? U skleněných optických soustav znamená, že při zaostření obrazu není ostrá jen jedna rovina např. v místě matnice nebo citlivé vrstvy, ale i další roviny před a za ve směru optické osy. Na velikost hloubky ostrosti mají vliv neměnné vlastnosti objektivu, např. ohnisková vzdálenost ad. řešení soustavy čoček a pak vlastnosti měnitelné, tedy velikost zaclonění. Se zacloněním hloubka ostrosti vždy stoupá. Hloubka ostrosti je ale relativní tím, jak charakterizujeme její hranice. V zásadě od střední roviny zaostření k hranicím hloubky ostrosti dochází vždy k určitému rozmazání obrazu, důležité je jak neostrý obraz jsme ještě ochotni hodnotit jako přijatelný. Uvedený princip je třeba aplikovat na zrakovou soustavu pozorně. Při soustředění na konkrétní detail reality dojde vždy k překrytí středu zorného pole s tímto detailem. Střed (žlutá skvrna) umožňuje nejvyšší rozlišení. Hloubka ostrosti může sloužit především k tomu, že vidíme ostře současně více míst v různých prostorových rovinách. To je však využitelné jen v situacích podobných pohledu přes hledí pušky na mušku na konci hlavně. Jinak hloubka ostrosti slouží lidské zrakové soustavě především k vyrovnání optických vad oka. Zkusmo si můžeme hloubku ostrosti svého oka vyzkoušet při různých hladinách osvětlení pohledem z blízka na krejčovský metr vedoucí od špičky nosu do hloubky prostoru. V praxi nás ovšem může zajímat hloubka prostoru z jiné příčiny. Umístíme-li např. dva nebo více sdělovačů do různých vzdálenosti od oka, dojde při jejich střídavém sledování k přeostřování, pokud je neobsáhne hloubka ostrosti našeho zraku. Bude-li přeostřování časté a dlouho trvající, může to vést k předčasné únavě zraku. Bude-li občasné, může to naopak vést k osvěžení, neboť trvalé zaostření, zejména na bližší předměty je také nadměrně namáhající. Je známo, že na hranicích rozlišení nedochází ke splynutí černobílého čárového rastu v jednolitou černou plochu, ale v plochu šedou. Když tedy sledujeme okem zdálky jemné černobílé struktury, vidíme namísto 21

22 nich šedou plochu. Ke snížení sytosti černých čar směrem k šedé přitom nedojde najednou, ale postupně a může mít různý průběh. Protože už jen snižování kontrastu v různých vztazích prvků vizuálního pole vede k podstatnému snižování čitelnosti, je nezbytné k hodnocení používat komplexnější metodu než jen měření počtu prvků (čar na milimetr apod.). Týká se to nejen analogových systémů (oční bulva), kde snižování kontrastu může být zásadní a váže se také problematice různých typů šumu, ale i systémů digitálních. U nich jsme zvyklí pro hodnocení rozlišení užívat měření počtu prvků v jednotkové nebo celé ploše (dpi apod.). Taková charakteristika je v důsledku užitečná jen pro fázi, kdy jsou digitální data ve virtuální elektronické, zraku nepřístupné podobě. Jakmile hodnotíme celou soustavu, nebo alespoň její větší část, do níž jsou už zahrnuty např. snímací objektivy a světlocitlivé vrstvy, monitory, tiskárny a lidské oko apod. začíná rozlišení ovlivňovat kvalita kontrastu a my musíme nezbytně použít komplexní metodiku funkce přenosu kontrastu. 100% 90% funkce přenosu kontrastu 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% kontrast frekvence (hustota) čar. Schéma názorně ukazuje, že soustava zmenšujících se čárových prvků je zobrazena optikou tak, že prvky až do určitého zmenšení jsou zobrazovány v nezměněném kontrastu, při dalším zmenšování jejich kontrast začíná klesat, klesá postupně až k nulové hodnotě. To znamená, že prvky jsou při nulové hodnotě kontrastu zobrazeny stejně šedě, jako mezery mezi nimi, nejsou tudíž už vnímatelné. Podrobněji se seznámíme s problematikou v části věnované testování čitelnosti prvků vizuální komunikace. U oka samotného není mnoho důvodů funkci přenosu kontrastu přesně měřit. V praxi běžně vystačí subjektivní posuzování čitelnosti různě velkých písmových nebo pro malé děti přizpůsobených abstraktních znaků. 22

23 Známá tabulka s různě velikými písmovými znaky sloužící k subjektivní kontrole zrakových vad. Záměrně jsou použity verzálky, které jsou méně čitelné než mínusky. Pokud snížíme kontrast znaků a plochy, můžeme tabulku využít jako pomůcku pro kontrolu postupné zrakové adaptace v šeru. Vstoupíme-li s tabulkou ze slunečné místnosti do šerého prostoru, budeme schopni nejprve číst jen největší znaky, postupně se nám podaří přečíst menší. Je všeobecně známo, že pokud má optická soustava oka vadu krátkozrakosti nebo dalekozrakosti, znamená to, že se obraz reality promítá nikoli na sítnici, ale do roviny před ní nebo za ní a člověkem je vnímán jako rozostřený. Uvedené vady se vyrovnávají brýlemi s negativními nebo pozitivními optickými hodnotami. Dokud je lidský organismus mladý, může menší vadu tohoto typu překonat extrémnějším zakřivováním čočky a brýle nosit nemusí. Znamená to ovšem, že větší zaostřování člověka dříve unaví a potom se mu již nemusí dařit dostatečně dokonale. Stejně při větší hodnotě optické vady, kdy mladí lidé nedoostří zcela, ale jen částečně. Je známo, že při pohledu na dálku jim to často příliš nevadí a brýle nenosí. Z toho všeho vyplývá, že musíme počítat s nižší rozlišovací schopností oka, než je udáváno: 5'- 6'. Krátkozrakost a její dorovnání rozptylnou čočkou. Dalekozrakost a její dorovnání spojnou čočkou. Další vadou, která ovlivňuje kvalitu rozlišení je kombinovaná dioptrická chyba zvaná astigmatismus. Jak z názvu vyplývá, čočka svou odlišnou deformací v různých rovinách způsobuje, že obraz který promítá, není zcela zaostřen v žádné rovině. Odstraňuje se zvláštním typem brýlí, ale pokud není odstraněna dokonale, nebo pokud ji částečně má člověk nenosící brýle, vede ve svém důsledku k vidění silnějších (rozostřených) linií v některé z rovin. To musíme mít také na zřeteli, když testujeme čitelnost a vyvozujeme velikost kritických detailů komunikačních prvků. Oční lékaři doplňují přístrojové měření astigmatismu většinou jen subjektivní kontrolou pacientova vjemu čitelnosti textu při střídavém vkládání různých čoček do zkušebních brýlí. Někteří však použijí také níže zobrazené testovací prvky, které si můžete vyzkoušet i vy. Rozostření pravoúhlé mřížky (pozorujte obrazec dále vlevo) jen ve svislém nebo jen ve vodorovném směru prozradí jednoduchý astigmatismus v pravoúhlém vztahu. Vpravo je ukázka vjemu při pravoúhlém astigmatismu. Růžice čárových rastrů vypoví o nerovnoměrnosti zaostření s přesností

24 SČÍTÁNÍ BAREV PŘI MALÉM ROZLIŠENÍ Není-li oko schopno rozeznat jemné různobarevné detaily, vnímá je jako jednobarevnou plochu vytvořenou součtem jednotlivých barev. Tak jako při černobílém tisku se vytvářejí z různě velkých černých bodů odlišně šedé plochy, tak je možné docílit dvěma, třemi nebo více překrytými rastrovými plochami ze základních subtraktivních barev dojmu téměř všech barevných odstínů. Přiblížíme-li se však ke dvoubarevné struktuře blíže a začneme rozeznávat barevné detaily, může dojít k nepříjemnému pocitu kmitání. Je způsoben tím, že korová oblast nervové soustavy těžko zvládá vyhodnocení vysokých barevných kontrastů plochy rozdělené na mnoho detailů. 24

25 25

26 Barevný rastr ofsetového tisku. Modrá síťovaná ochrana mění barvu hasícího přístroje z červené na fialovou. 26

27 Efekt perforovaného rastru reklamního polepu autobusu z různých vzdáleností pozorování. Z dálky není struktura rastru vnímatelná, rastr pouze ztmaví vjem vnějšího prostředí. Z blízka je struktura rastru viditelná. Při těsném přiblížení oka je možné jednotlivými otvory pozorovat vnější realitu bez ztráty jasu. 27

28 AUTOREGULACE ZRAKU Charakter jednotlivých částí oka by mohl narušovat naše vidění, zvláštní mechanismy zrakové soustavy však jeho nedostatky ruší tím, že informaci přicházející ze sítnice doplňují. Prázdné místo v centrální ploše sítnice např. nevnímáme jako černou díru, nedostatek buněk citlivých na zelenou část spektra v okrajových částech sítnice nezpůsobuje, že bychom vnímali zelenou barvu jen uprostřed zelené louky. Efekt uvedených mechanismů je dvojí.na jedné straně vyrovnávají nedostatky zrakového ústrojí, které by nás neinformovalo reálně o stavu skutečnosti, na druhé straně jsou ale schopny v některých případech skutečnost naopak zkreslit. Zrakový aparát je v rámci svých mezí připraven například dorovnávat jasové a barevné odlišnosti do běžného průměru, aby nám umožnil pomocí barevné a jasové různosti co nejvíce rozlišovat detaily prostředí. Vjem jasu upravuje otevíráním a přivíráním duhovky, stejně jako zvyšováním či snižováním citlivosti při vyhodnocování signálu v mozku, kde také reguluje odlišnou barevnost. K vyrovnání ale nedochází okamžitě, proto při rychlé změně světelného charakteru prostředí je oko oslněno a není schopno vnímat dostatečně přesně tvary ani barvy. Na to musíme pamatovat při předvídání neobvyklých situací provázejících vizuální komunikaci. 0minut10minut20minut30minut40 Snižování absolutního prahu citlivosti ve tmě v závislosti na čase. Křivka má dvě části. Horní průběh je zprostředkován čípky, dolní tyčinkami. Tyčinky potřebují delší dobu na adaptaci, ale jsou citlivější ke slabšímu světlu. Proces adaptace se odehrává z největší míry v sítnici. Jestliže se světelný podnět nemění, přizpůsobujeme se mu. Například v průběhu adaptace na tmu se nám zdá, jakoby světlo přibývalo a naopak, při sledování silně osvětlených předmětů vjem slábne. Extrémně si můžeme tento efekt vyzkoušet tak, že se budeme upřeně dívat na jeden bod. Viditelný svět během několika vteřin ledne až téměř úplně zmizí. Je to následek procesu adaptace. Za normálních okolností k tomu nedochází proto, že oko stále vykonává drobné (sakadické) pohyby. Na uvedeném principu jsou založeny mnohé další pokusy, uvedené v této učenici, vytvářející různé druhy paobrazů. Skutečnost, že zrakový systém přestává reagovat na podnět (přestává podávat zprávu), který se nemění, ukazuje, že je určen ke vnímání změny, což je podstatou všech senzorických systémů. 28

29 Oko nedokáže dorovnat extrémní jas nebo barvu, pokud se vyskytují v zorném poli současně se svým opakem. Tehdy vzniká efekt současného kontrastu, který má průběžný vliv na vnímání kvality barev i schopnost rozlišení. Vyskytuje-li se např. v zorném poli podstatně silnější zdroj záření, zrakový aparát sníží svou citlivost a není schopen optimálně vnímat drobné detaily malých jasů. Proto se například v žádném případě nedoporučuje nabízet současně ke vnímání drobné méně kontrastní prvky v bílém i černém poli (viz následující obrázek). Podívejte se pak na horní část svislého proužku v bílé ploše, bude se vám zdát černá. Když si jej ale prohlédnete dole, v černé ploše, zjistíte, že není zcela černý a má navíc barevný tón do zelena. Zde se to čte lépe, než dole. Přečtete to bez problémů? Je to málo kontrastní. Zde se to čte lépe než nahoře. 29

30 Dataprojektor promítá tmavší obrázek obklopený velmi světlou plochou. Mechanismus současného kontrastu nedovolí oku se přizpůsobit pro vnímání jemných rozdílů tmavých tónů obrázků. Efekt současného kontrastu také vede k jasovému nebo barevnému vyhodnocování, které nedopovídá realitě. Šedý pás uprostřed obrazu je po celé délce stejně tmavý. 30

31 Barevná přizpůsobivost zrakové soustavy dokáže zrušit chladný charakter modrého osvětlení denní oblohy, stejně jako teplý charakter žárovkového, pokud je vnímá samostatně. Podobně dorovnává zrak i zásadnější barevné posuny. Když se např. budeme dívat na svět přes červený filtr, budeme vidět nejprve vše do červena. Postupně se ale náš vjem bude vracet do normálu. Pouze předměty, jejichž jas červený filtr více odečítá, se budou jevit tmavší. Pokud v interiéru vidíme současně předměty osvětlené žárovkou a jiné denním světlem, rozeznáme odchýlení k oranžové a modré části spektra trvale. 31

32 Budeme-li chvíli upřeně pozorovat modrozelený střed kruhové plochy, adaptace zraku způsobí, že zmizí a budeme vnímat celou plochu stejného odstínu. 32

33 Podobně zmizí při upřeném pozorování střední světlý pás. Při pohledu na sytý barevný detail se nám bude jevit okolní šedá plocha posunuta k opačné (doplňkové) barvě. Zrakový aparát vyrovnává vjem směrem k průměru, proto bude vnímat okolí sytého tónu vyvážené odstínem doplňkové barvy. Tak působí současný barevný kontrast. Po chvíli upřeného pozorování sytě barevných plošek na následující straně a následném posunutí pohledu do šedé plochy uvidíme obraz těchto plošek v doplňkové barvě, tedy nazelenalé srdíčko a purpurový trojlístek. Tento efekt následného barevného kontrastu způsobuje setrvačnost zrakového purpuru na sítnici, s jakou se po silné spektrálně čisté expozici vrací do původního stavu. V praxi tak můžeme setkat s tím, že po delším pohledu do většího pole jedné signální barvy, bude při následném pohledu do barvy jiné částečně změněna její kvalita, což může mít vliv na rychlou identifikaci tónu. 33

34 34

35 Další obrazce umožňující ověření efektu následného barevného kontrastu. Po chvíli upřeného pohledu na bílý kříž uprostřed modrého nebo žlutého kruhu přeneste zrak do šedé plochy a uvidíte stejné tvary v doplňkové barevnosti. Zkuste se ještě zahledět do černobílého rastru dole a přenést pohled do zeleného nebo červeného. Potom vyzkoušejte opačný postup. A na závěr si vykouzlete v bílé nebo světle šedé ploše americkou vlajku. 35

36 SLEPÁ SKVRNA A BAREVNÝ PROBLÉM Zatímco žlutá skvrna představuje díky nejvyšší hustotě nervových zakončení místo s nejostřejším viděním, nedaleko ní se nachází ploška bez jakýchkoli zakončení, kde zrakový nerv vystupuje směrem k mozku. Je to takzvaná slepá skvrna. Obraz reality, který na ni čočka promítá, nevnímáme. Kdybychom ovšem v tomto místě viděli nějakou černou díru v zorném poli, nemuseli bychom si nalhávat, že v centrální ploše pole neujde nic naší pozornosti. Mozek ale zpracovává signál z oka tak, že v námi vnímaném obraze reality doplní do místa slepé skvrny strukturu vyskytující se v jejím okolí. Pozorované barvy nebo linie proto vnímáme bez přerušení. Pokud se ovšem do místa slepé skvrny promítne malý detail reality, vnímáme místo něj barvu okolí. To ale jen v případě, že daný detail nevidíme ani druhým okem. Slepé skvrny obou očí jsou umístěny tak, že se při vnímání na rozdíl od žlutých skvrn nepřekrývají a mohou se tudíž doplnit při tvorbě výsledného vjemu. Porušení prostorového vidění v tak malém detailu nehraje podstatnou roli. Snadno si to můžeme ověřit na dalším schématu. Budeme-li se zakrytým levým okem pozorovat pravým okem asi ze vzdálenosti 25 cm černou kružnici na bílé ploše, černý kroužek vpravo při určitém úhlu pohledu zmizí. Existence slepé skvrny vede k poznatku, že důležité bodové signály reality, zejména ty časově omezené, nemusíme jedním okem (má-li druhé nějaké problémy) spatřit. Zkusme nejprve pohled z blízka jedním okem do plochy s čárovou strukturou, která zůstane neporušená. 36

37 čočka slepá skvrna sítnice žlutá skvrna sítnice zrakový nerv Situace pravého oka 37

38 Podobně zraková soustava doplňuje barvy v okrajích vjemu zorného pole. Plošné schéma barevné citlivosti oka nám ukázalo, že zelený odstín rozlišíme asi jen do úhlu 30 od středu zorného pole, ostatní barvy do Budeme-li však vnímat celým zorným polem jednolitou zelenou plochu, neuvidíme ji zelenou jen uprostřed, ale až do krajů. Mozek zbytek plochy jednotně doplní. Pokud bychom ale měli v kraji zorného pole rozlišit zelenou žárovku od červené, nepůjde to. budeme vnímat jen dvě světlé žárovky. Proto např.není možné do krajů zorného pole umísťovat sdělovače barevných signálů. Ověřme si to jednoduchým testem na následující zelené straně. I při přiblížení k papíru, kdy nám bude zakrývat celé zorné pole, nebudou kraje nebarevné. Ovšem barevnost dvou kontrastních bodů na kraji nerozlišíme.? Od pohledu do středu plochy nesmíme uhýbat směrem k barevným bodům. Doplňování tvarů vizuální reality promítané na sítnici patří ke způsobům, které při dalším zpracování vjemu mozek užívá. Budeme se jim věnovat v kapitole o vnímání. Zde si jen pro rozvinutí předchozích příkladů ukážeme, kdy doplnění pozorované reality není funkční. Stává se tak například při pozorování sítě černých čtverců. V jejich bílém okolí má zrakový systém tendenci vytvářet kontrastní plochy. Výsledkem jsou tmavé skvrny v místech překřížení bílých linií. 38

39 39

40 HARMONIZACE SVĚTELNÝCH PODMÍNEK Z popisu uvedených vlastností zrakového ústrojí člověka vyplývá, že je nezbytné se zajímat o kvality nastavování světelných podmínek praktické vizuální komunikace pro různé relace: - přijatelné vnímání - optimální vnímání - vnímání za zvláštních podmínek - vnímání pro zrakově handicapované Zvláštní situace vyžadují speciální studie. Běžné by měly být doporučeny normami nebo doporučujícími tabulkami. Co by v nich nemělo chybět: - minimální hodnota osvětlení komunikační plochy nebo sdělovačem vyzařovaného světla - optimální hodnota (rozpětí hodnot) osvětlení komunikační plochy nebo sdělovačem vyzařovaného světla a rozpětí hodnot jejich spektrálního složení - maximální hodnota osvětlení komunikační plochy nebo sdělovačem vyzařovaného světla - minimální hodnota, rozpětí optimálních hodnot a maximální hodnota jasového kontrastu mezi komunikačními prvky, plochou, v níž leží a vizuálními jevy v okolí - případně spektrální vymezení pro barvoslepé lidi či extrémní podmínky - případně frekvenční vymezení kmitočtu zdrojů zejména ve vztahu k jiným současně působícím zdrojům Tyto světelné vlastnosti se přirozeně vymezují ve vztahu k dalším konkrétním faktorům, mezi něž patří velikost pozorovaných prvků, úhel a časové předpoklady jejich pozorování, případně rychlost změn některých faktorů, při nichž hraje roli adaptační čas zrakového ústrojí. O některých se dále dočtete v ergonomické stati kapitoly Sdělovače a ovládače. PULZUJÍCÍ SVĚTLO Reakce světločivých buněk sítnice na světlo a jejich navrácení do nevybuzeného stavu má svou rychlost, kterou lze vymezit přibližně délkou 1/13 sekundy. Pokud je rychlost střídání vizuálních podnětů větší, nevnímáme mezi nimi mezeru, splývají nám. Podobně funguje sluch, kde je hranice rozlišitelnosti jednotlivých prvků podobná 16 za sekundu. V běžném prostředí, ve kterém se před tisíciletími vyvíjel lidský organismus, nebylo potřebné rychlejší světelné změny rozeznat s výjimkou okrajových částí sítnice, které sloužily jako bezpečnostní hlídka pro zjištění pohybů nekontrolovaných přímo středem zorného pole, tedy prostoru, na který nemáme zaměřeno soustředění, avšak je pro život člověka v nebezpečné přírodě důležitý. Okrajové části sítnice jsou schopné přerušovaně vnímat frekvenci i kolem 50 cyklů za sekundu, což si můžeme ověřit, máme-li zářivky v elektrické síti s 50Hz a vnímáme-li je na kraji zorného pole. zvyšující se frekvence blikání světla 10 Hz 11 Hz 12 Hz 13 Hz odezva sítnice oka přerušovaná 10 Hz 11 Hz 12 Hz plynulá (0 Hz) Důležitá na mechanismu vnímání rychlých změn je skutečnost, že vnímatelný podnět a jeho odeznění mohou být nepoměrně různě dlouhé. Na to, aby naše zraková soustava podnět zachytila stačí méně jak setina vteřiny, návrat sítnice do stavu, kdy bude moci vnímat další podnět trvá přibližně 1/13 vteřiny. Říkáme tomu zraková setrvačnost. Je způsobena rychlostí vratného (cyklického) fotochemického procesu v sítnici. Delší odezva sítnice mj. umožňuje, abychom krátký podnět mohli lépe vnímat. To je možné zejména tehdy, když před daným krátkým podnětem a po něm nepůsobí na sítnici zcela jiné silné podněty, které způsobí, že v první úrovni paměti nenalezne vjem dostatečný prostor. 40

41 Zrakovou setrvačnost využívají technologie zaznamenávají pohyb tak, že zaznamenají a pak promítnou jen jeho dílčí fáze, které jsou při vnímání okem spojeny opět v plynulý pohyb. Také jednoduchý pokus s rotujícím obrázkem doloží zrakovou setrvačnost. Světelné zdroje využívající střídavý elektrický proud se chovají dvojím způsobem. Žárovky vydávají plynulý světlený tok (nažhavení jejich vlákna má setrvačnost podobně jako sítnice oka), výbojky přerušovaný ve frekvenci střídavého proudu. Oko je schopno vnímat frekvence nižší než 13 pulsů za sekundu, proto při běžném střídavém proudu 50 nebo 60 Hz je pro něj světlo žárovky i výbojky stejně kontinuální. Budeme-li však ve světle výbojky pozorovat dostatečně rychlý pohyb, výbojka nám umožní vidět pouze jeho vzdálené, nepropojené fáze, tedy ty jeho části, které na chvilku osvětlí. Vznikají přitom různé zvláštní efekty, které mohou komplikovat čitelnost detailů, barev, ale i směru pohybu (tzv. stroboskopický jev). Běžně známe z filmu například efekty dojmu zpětného točení kol při pozorování jízdy aut. Při nižší frekvenci, např. efektovém stroboskopickém osvětlení divadla, vypadá pohyb trhavý. Jde o stejný princip, jakým je zachycen filmový nebo televizní obraz, kdy při nižší frekvenci nevnímáme dokonalý pohyb. 41

42 Osvětlení švihu golfové hole stroboskopickým světlem nám umožní vidět po sobě řadu fází pohybu, stejně jako je zaznamenat na citlivou vrstvu fotopřístrojem. Při rychlém nepřerušeném pohybu naopak oko vnímá rozmazanou stopu ve formě jakýchsi světelných chvostů. Existuje také hranice nejnižší vnímatelné rychlosti, pod níž již zrakový systém pohyb nevnímá. Touto hranicí je rychlost jedné úhlové minuty za sekundu. Jde o hodnoty podobné, jaké má pohyb minutové ručičky větších nástěnných hodin s plynulým chodem. Dále o pohybu v kapitole Vnímání. 42

43 CESTA VIZUÁLNÍHO SIGNÁLU Principy fyziologie zraku jsou důležité pro pochopení některých jevů vizuální komunikace. Proto se seznamujeme s vybranými problémy, které mají zásadní vliv na zrakové sdělování. Proces vidění funguje tak, čočka promítá prostřednictvím světelného záření obraz vnější reality na sítnici oka, kde se proměňuje v digitální elektrický signál, který odvedou nervová spojení do centra vidění v mozku. Tam je signál vyhodnocen s výsledkem, jež známe jako viditelný obraz reality. Obraz vnější reality promítnutý čočkou na sítnici je přirozeně převrácený. Mozek jej však zpracovává tak, že vidíme realitu nepřevrácenou. Sítnice obsahuje dva druhy buněk citlivých na světlo pojmenovávaných podle svého tvaru čípky a tyčinky. Tyčinek je 125 milionů a rozlišují odstíny bílé a černé. Jsou 50x citlivější než čípky, proto je využíváme při špatném osvětlení. Čípků je jen 5 7 milionů, vyskytují se ve třech typech, každý z nich vnímá jednu z třetin viditelného spektra oblasti červené, modré a zelené. Většina čípků se nachází v centrální oblasti sítnice ve žluté skvrně, kde nejsou žádné tyčinky. Ve zbytku sítnice se nalézají tyčinky společně s menším množstvím čípků. Narozdíl od oka jsou světlocitlivé prvky elektronických čipů rozloženy rovnoměrně v celé ploše. Hustota prvků v daném místě vypovídá o ostrosti zobrazení. sítnice Než světlo dorazí k tyčinkám a čípkům uloženým v hloubce sítnice, musí projít několika jinými vrstvami. Ty jsou vytvořeny z jemných cévek a ze sběrných nervových (gangliových) buněk sítnice. Jsou průhledné a poměrně dobře propouštějí světlo. Světlocitlivé buňky, tyčinky a čípky, přeměňují dopadající záření na nervové impulsy pomocí rhodopsinu pigmentu citlivého na světlo. Pod nimi se nachází další vrstva pigmentu, která zbylé záření pohlcuje, aby se neodráželo zpět a nezhoršovalo kontrast a ostrost promítaného obrazu reality. Pro zajímavost je třeba uvést, že světlocitlivé části tyčinek a čípků se nacházejí na opačné straně, než odkud světlo přichází. Na schématu je část citlivá na světlo značena světlejší plochou buňky. Nervové impulzy se jako digitální signál pohybují paralelními nervovými vlákny do mozku. Datový tok z oka představuje přibližně 500 kilobajtů za sekundu. Nejde však o přenos nezměněných impulzů z jednotlivých světlocitlivých buněk izolovanými cestami, ale o komplikovaný přenos spojený s prvotním zpracováním signálu prostřednictvím tzv. neuronových sítí. Jsou to svazky nervových vláken tvořené jednotlivými buňkami, které svými mnohočetnými výběžky vlákna navzájem bohatě propojují. Tak jsou tvořeny nejen nervové dráhy, ale i mozek. Nervovou cestu není tedy možné vnímat jako svazek vodičů, je to skutečně propojená síť, která nejen signály přenáší, ale také zpracovává. V každém okamžiku jsou vytvářeny tisíce nebo miliony spojení. Signál se tak dělí a běží najednou velkým počtem obvodů, což dodává síti fenomenální kapacitu. Výzkum neuronových sítí je v současnosti ve středu pozornosti neurovědy, začíná přinášet první výsledky. 43

44 Ty, které jsou důležité pro pochopení vizuální komunikace uvedeme v další části naší učebnice. Při přeměně světla na nervové vzruchy, které jsou elektrochemického charakteru, dochází ke změně komunikačního analogového signálu, kterou lze zjednodušeně charakterizovat jako digitální. Funkce přenosu signálu jednotlivých neuronů, jak si dále popíšeme, je digitální. Vědci se však brání charakterizovat slovem digitální funkci celých neuronových sítí, neboť elektrochemické procesy v ní probíhající jsou natolik komplikované, že je nelze přímo srovnat s digitální technikou, kterou produkuje člověk. Znalost principu elektronické digitální komunikace je poměrně rozšířena, proto je dobré pro srovnání zjednodušeně popsat digitální princip fungující v nervových buňkách. synaptická štěrbina buněčné jádro směr přenosu a velikost elektric. náboje nervový přenašeč axon dendrit Základem nervové buňky je buněčné tělo (soma) s buněčným jádrem. Odpovídá za životní funkce neuronu a propojuje dendrity s axonem. Dendrity přijímají informace ve formě el. náboje od sousedních neuronů. Soma všechny informace integruje. Axon přenáší el. náboj dále, na sousední buňky. Buňky jsou navzájem odděleny štěrbinami, které jsou v případě potřeby spojení přemostěny chemicky zakončení buňky uvolní látku tzv. nervový přenašeč. Základní prvek nervové soustavy nervová buňka funguje tak, že reaguje na elektrický podnět do ní přicházející a posílá jej dále. Digitální charakter její reakce je popisován známým slovním spojením všechno, nebo nic. To znamená, že dokud není nervová buňka vystavena potřebnému napětí (prahová hodnota napětí) nereaguje navenek vůbec. Jakmile je ale napětí dosaženo, vytvoří reakci v plné hodnotě (tzv. akční potenciál fixní velikosti). Nepřichází-li ze sousedství k buňce podnět s potřebným napětím, je možné počítat se sčítáním více podnětů. Buď se sečtou podněty přicházející současně z různých buněk okolí, nebo z jedné buňky dostatečně rychle po sobě. + 50mV + 40mV vybuzený akční potenciál nerv. buňky + 30mV + 20mV + 10mV prahová hodnota napětí k vybuzení. 0 10mV nerv. buňka vysílá potenciál 20mV fixní velikosti 120mV, 30mV potenciál buňky klesá 40mV 50mV 60mV klidový potenciál nervové buňky 4 rychle po sobě jdoucí budivé impulsy po +16mV 44

45 V klidu existuje v nervové buňce potenciál přibližně 70 mv. K jeho změně dochází kladným směrem. Dosáhne-li k +10 až k +20 mv, je dosaženo prahové hodnoty, vybudí to akční potenciál až +50 mv, což proti klidovému stavu ( 70 mv) je to rozdíl 120 mv. Digitální princip z technické elektroniky polovodičů všechno, nebo nic však nelze aplikovat na neurony zcela do důsledků. Neurony nejsou nikdy jednoduše buď zapnuté nebo vypnuté. Úroveň jejich podráždění a tvar buňky rozhodují o tom, jak budou komunikovat s dalšími neurony. Co se děje se zrakovým signálem vycházejícím z očí obecně? Nejprve se nervové dráhy z obou očí setkávají v centru zvaném zraková křižovatka (chiasma opticum), kde se spojují vzruchy z levé poloviny sítnice pravého a levého oka stejně jako vzruchy z pravé poloviny sítnice pravého a levého oka, aby pokračovaly do svých hemisfér mozku (z pravé poloviny sítnice do pravé hemisféry apod.). V obou polovinách mozku pak postranní větve signálů vstupují do pomocných center zajišťujících ovládání světelné clony v očích (duhovka) a potřebného pohybu hlavy při zrakovém sledování pohybujících se předmětů. Fungování tohoto mechanismu si ověříme při pohledu na zrcadlově převrácený obraz. Buď pomocí jednoduchého zrcátka nebo fotoaparátu zrcadlovky s šachtou pro pohled shora (zrcadlovky s hranolem obraz nepřevrací). Přes zrcátko lze jen obtížně sledovat pohybující se předmět, neboť nás soustava nutí k opačnému pohybu, než vnímáme. Zajímavým pokusem může být snaha o přizpůsobení (navyknutí) zrakového aparátu změněné vizuální informaci. Kolik dní bychom museli chodit s hledáčkem zrcadlovky na očích, abychom naučili mozek jednat pohybově v prostoru jinak? Pokusy ukazují, že asi jen tři dny. V některých oborech, např. u zubních lékařů, patří schopnost funkční reakce na zrcadlově převrácený obraz ke znaku profesionality. 45

46 Hlavní větve pravého a levého signálu ve svých hemisférách vstupují postupně do centra prvotního obsahového zpracování (primární korové centrum zraku V1), které provádí určité roztřídění a uspořádání než je prostřednictvím oblasti V2 rozešle k dalším specializovaným okolním oblastem zrakové kůry. Jde o oblasti sekundární zrakové kůry, nazývané asociační zraková kůra. Analyzují jednotlivé složky vidění. Například barvy, jejich vzájemné vztahy (kontrast) analyzuje V4. Jiná oblast porovnává rozdíl zobrazení vzniklý odlišným úhlem pohledu levého a pravého oka a vyvozuje z nich prostorové vztahy do hloubky pozorovaného pole. Na následném obrázku vidíme charakteristickou situaci, kdy při pohledu do dálky se dva rozdílné obrazy z obou očí nepřekryjí výsledkem čehož je nereálný vjem dvojice prstů. Tento vjem zmizí v okamžiku, kdy se zahledíme na blízké prsty, zrakové osy se přiblíží, překříží se v místě zaostření a náš vjem začne odpovídat realitě. pravé oko vidí levé oko vidí součet vjemu pravého a levého oka pravé i levé oko vidí totéž, proto součet vjemů odpovídá realitě Dynamickou složku pohybu, například charakteristické pohyby předmětů známého tvaru (kutálející se míč, ohýbání stébel trávy ) analyzuje oblast V3. Obecně pohyby probíhající v zorném poli analyzuje oblast V5. Obě pak společně poskytují výsledky dalším oblastem, která zjištěná data skládají a integrují do kompletního vidění světa. 46

47 Zajímavou ukázku zpracování vizuálního signálu představuje složené oko u hmyzu. Zde jsou pomocí desítek optických soustav vytvářeny desítky obrazů reality na sítnicích, které pak musí nervová soustava spojit do jednoho celkového vjemu. Výzkum vnímání tvarů se dnes pohybuje na úrovni, kdy je možné porovnávat zobrazení mozku vytvořené užitím funkční magnetické rezonance při vizuálním vnímání různých předmětů. Vznikne-li dostatečně velká databáze zobrazení známých předmětů, je možné podle ní počítačem dělat odhady vizuálních myšlenek existujících jen jako představy člověka bez pozorování konkrétní reality. 47