Prve stopnje obdelovanja barve in svetilnosti: Kje in Kaj

1. Prve stopnje obdelovanja barve in svetilnosti: Kje in Kaj • Veliko tistega, kar je bilo napisanega o barvah v umetnosti, je nesmisel. • Zakaj? Odgovor: Zato, ker je bilo do pred nedavnim le malo znanega o tem, kako možgani obdelujejo informacijo o barvi. • Treba je opozoriti na to, da je barva pomembna, celo bistvena na nekaterih področjih vizualne zaznave in popolnoma nepomembna na drugih področjih.

2. Nekateri vidiki vizualnega zaznavanja – kakršni so na primer prepoznavanje objekta, prepoznavanje obraza in zaznavanje barve – so seveda močno odvisni od barve, medtem ko so drugi, na primer, zaznavanje gibanja, zaznavanje globine, ločevanje med figuro in ozadjem in zaznavanje pozicijske informacije barvno slepi.

3. Različni deli možganov obdelujejo različne vrste informacij. • Najbolj temeljna delitev je med senzornimi (vhodnimi) in motornimi (izhodnimi) področji. • Znotraj senzornega sistema se različna področja ukvarjajo z vidom, sluhom, dotikom, vonjem in okusom. • Senzorni sitem je hierarhično organiziran: “nižje” ravni so najbolj neposredno povezane s čutnimi organi na periferiji, “višje” ravni so zaporedno povezane druga z drugo in verjetno sovpadajo v večmodalnih asociacijskih področjih, ki so umeščena bolj v ospredju možganov.

4. Evolucijsko starejša razdelitev na večje celice, ki si jo delimo z drugimi sesalci, je odgovorna za naše zaznavanje gibanja, položaja, globine, ločevanja med figuro in ozadjem in za splošno organizacijo vizualnega prizora. • To je tako imenovani “Kje” sistem. • Delitev na male celice je dobro razvita zgolj pri primatih in je odgovorna za našo zmožnost prepoznavanja objektov v barvah in do najmanjše zapletene podrobnosti.

5. Sistem Kje in Kaj se ne razlikujeta le v vrsti informacije, ki jo izvlečeta o okolju, temveč tudi v štirih temeljnih načinih, kako obdelujeta svetlobni signal, ki ga prejemata. • Selektivnost za barve: Kje sistem je barvno slep; Kaj sistem uporablja in nosi informacijo o barvi. • Občutljivost za kontrast: Kje sistem je zelo občutljiv za majhne razlike v svetlobi (zelo visoka občutljivost za kontrast); Kaj sistem zahteva večje razlike v svetlobi (majhna občutljivost za kontrast).

6. Hitrost: Kje sistem je hitrejši in bolj minljiv – njegovi odzivi so krajši – od Kaj sistema. To ne bo pomembno za večino razprav o naši statični umetnosti. • Ostrina: Kje sistem ima nekoliko nižjo ostrino (dvakrat ali trikrat nižjo) kot Kaj sistem.

7. Kaj sistem se spet deli na sistem za formo, ki uporablja tako barvo kot svetilnost, da bi opredelil obliko objektov, in na nižji resolucijski sistem za barvo, ki definira barve površin. • Ni takoj neposredno jasno, zakaj na bi bila naloga vida tako razdeljena. Za to dejstvo obstajata dve razlagi.

8. Prva razlaga delitve na Kje in Kaj sistem • Prva razlaga se loteva mehanizma, kako se razvija evolucija glede spreminjanja sistema. Kje sistem pri človeku in drugih primatih je podoben celotnemu vizualnemu sistemu nižjih sesalcev. Nižji sesalci so veliko manj občutljivi za barvo, kot smo mi, in ne morejo preučevati objektov in jih natančno razlikovati na temelju vidnih lastnosti.

9. Namesto tega so občutljivi na stvari, ki se gibljejo, saj so stvari, ki se gibljejo – bodisi žrtev bodisi plenilec – verjetno pomembne. Ker se primitivni vizualni sistem mora uporabljati za navigacijo skozi tridimenzionalno okolje, mora biti ta sistem zmožen obdelovati informacijo o globini in razlikovati objekte od ozadja. • Ko se je razvil bolj zapleten primatski vizualni sistem, se je izvorni sistem ohranil, ker ga je bilo verjetno bolj preprosto dodati k staremu.

10. Druga razlaga • Druga razlaga delitve našega vidnega sistema je ta, da je bolj učinkovito prinašati informacijo in izračunavati objektovo pojavljanje (njegovo obliko in barvo) ločeno od informacije o njegovi poziciji in poti. Ta dva dela se potem lahko posvetita in optimizirata za različne vrste obdelovanja informacije. • Možgani naj povezujejo celice, ki nosijo iste vrste informacijo, bolj učinkovito pa je, da možgani povezujejo bližnje celice, kot pa tiste, ki so anatomsko ločene.

11. Do podobnih rešitev so prišli inženirji, ki razvijajo TV z visoko ločljivostjo (HDTV) in računalniško grafiko in animacijo: izmislili so si zelo učinkovite načine prenašanja podob, da bi se izognili temu, da bi morali nenehno redefinirati vsak piksel v podobi. Ena metoda je, da redefiniramo zgolj tiste točke, ki se spreminjajo (tako kot to počne naš Kje sistem). • Druga metoda: Bolj zapleteni algoritmi naj bi definirali objektovo obliko in barvo neodvisno od njegovega položaja in poti.

12. Nas bo zanimalo predvsem vprašanje, kako bosta oba sistema uporabljala barvo. • Kje sistem je barvno slep – vidi v stopnjah sivine – medtem ko je Kaj sistem barvno izbir(č)en. • Pod izrazom “barvno izbir(č)en” razumem • Prvič, da celice v razdelku za barvo Kaj sistema dejansko kodirajo barve površin. • Drugič, celice v razdelku za formo Kaj sistema lahko uporabljajo barvne razlike za odkrivanje meja, ne da bi ga skrbelo za to, katera barva definira te meje.

13. Središče/obrobje: prvi korak pri obdelovanju vizualne informacije • Kot smo videli, gre pri vidu za obdelovanje informacij, ne pa za prenašanje podob. • Leta 1953 nevroznanstvenik Stephen Kuffler odkrije prvi in najbolj pomemben korak pri obdelovanju vizualne informacije. Preučeval je aktivnost celic v retinalnih ganglijih in odkril, da lahko aktivira celice z majhnimi snopi svetlobe. • To ni bilo nič novega. Tisto, kar je bilo presenetljivo, je bilo spoznanje, da majhni snopi aktivirajo celico bolje kot večji.

14. Vsaka ganglijska celica je bila optimalno aktivirana s strani drobcenega snopa svetlobe na neki posebni točki na retini, na njenem receptivnem polju. • Iz tega je Kuffler potegnil sklep, da je bil razlog, da so bili večji snopi svetlobe neučinkoviti, v tem, da ganglijske celice niso bile zgolj vzburjene s svetlobo, ki je padala na njihova središča receptivnega polja, temveč, da jih je tudi inhibirala svetloba, ki je padala na regijo, ki je ta središča obkrožala. Pokaži sliko!

15. Ta organizacija se imenuje središče/obrobje. • Pokaži sliko! • Organizacija središče/obrobje povzroči, da so celice v teh zgodnjih stopnjah vizualnega sistema občutljive za diskontinuitete v vzorcih svetlobe, ki padajo na retino, ne pa na absolutno raven svetlobe. Zaradi take organizacije (središče/obrobje), nevroni najbolje odgovarjajo na ostre spremembe, ne pa na postopne premike v svetilnosti. • Vizualni sistem je narejen na tak način, da lahko zanemari postopne spremembe v svetlobi in splošno raven iluminanta, ki običajno niso biološko pomembne.

16. To, da je vizualni sistem tako narejen, je biološko smiselno, saj je veliko bolj učinkovito, da zakodiramo zgolj tiste dele podobe, kjer so spremembe ali diskontinuitete, ne pa celotne podobe. • Največ informacije v podobi je v njenih diskontinuitetah. • Učinkovitost kodiranja informacije poznamo tudi iz shranjevanja podob na računalnik.

17. Če hočemo na primer shraniti sliko rdečega kvadrata na črnem ozadju, lahko to naredimo na dva načina. • Prvič, lahko zapišemo svetilnost vsakega piksla (točke) v vsaki točki na podobi (RGB podoba v Photoshopu, na primer). • Drugič, podobo lahko zapišemo bolj učinkovito tako, da definiramo obe prisotni barvi, definiramo meje kvadrata in pokažemo, katera barva je znotraj in katera zunaj kvadrata. Algoritmi za stiskanje slike (na primer, JPEG) naredijo natanko to.

18. Na podlagi vednosti, kako se celice odzivajo na velike in majhne snope svetlobe, boste zmožni ugotoviti, zakaj vidite migotajoče črne pike preko belih pik v iluziji “migljajoče mreže”. • Ko gledate to podobo, verjetno vidite slabotne, medleče temne pike na sečiščih belih črt. • Te iluzorne pike zaznamo zato, ker so celice, organizirane v obliki središča/obrobja, ki signalizirajo belino sečišč bolj potlačene oziroma zatrte (s štirimi delčki belih črt v svoji okolici), kot so celice, ki signalizirajo belino črt med sečišči (zato, ker imajo le dva delčka bele črte v svoji okolici).

19. Tako so celice, odgovorne za signalizacijo beline na sečiščih, bolj potlačene in torej manj aktivne kot celice, ki signalizirajo belino črt med sečišči, tako da se zdijo sečišča manj bela in potemtakem temna. • V iluziji “migotajoče mreže” točke na sečiščih utripajo verjetno zato, ker obstaja majhen časovni zamik med odzivi središča in odzivi obrobja, s tem da so odzivi središča živahnejši in bolj minljivi kot odzivi obrobja.

20. Torej, vsakič ko naše oči spremenijo položaj, celice, ki signalizirajo belino na sečiščih najprej dajo močan središčni signal kot odziv na bele pike na sečiščih, potem pa se njihov signal zmanjša (to zmanjšanje pa zaznamo kot potemnitev pik), ko nastopi okoljska inhibicija.

21. Če na primer gledamo časopis v sončni svetlobi, vidimo, da so naslovi črni, papir pa bel. Če gledamo isti časopis ponoči ob 40-watni žarnici, še vedno vidimo črne naslove na belem papirju, čeravno belina papirja v tej sobi odseva tisočkrat manj svetlobe. • Lahko bi dokazovali, da večino te adaptacije na raven svetlobe opravi velikost zenice in raven svetlobne adaptacije vizualnega sistema, vendar to ni celotna razlaga.

22. Če gledamo to fotografijo s časopisom, si ne moremo pomagati z velikostjo zenice in adaptacijsko ravnijo naše retine, temveč se pojasnitev opira na dejstvo, da vizualni sistem zanemari postopno spremembo v svetilnosti zaradi sence čajne pločevinaste škatle in namesto tega registrira predvsem lokalne razlike v svetilnosti – črk nasproti papirju – in to zaradi organizacije središče/obrobje.

23. Uporaba tega v umetnosti: umetnik lahko z uvedbo postopnih sprememb v svetilnost ozadja povzroči nasprotne premike v svetilnosti ospredja. • Objekt, ki ga vidita obe razdelitvi vizualnega sistema, bomo zaznali pravilno. Videti bo, da se pravilno premika ali da je videti stabilen in v ustreznem smislu trodimenzionalen.

24. Posebne lastnosti barv z enako svetilnostjo • Če oba podsistema nista uravnovešena pri svojem odzivu na objekt, se ta lahko zdi čuden. • Na primer, objekt, ki ga opredeljujejo barve z enako svetilnostjo, lahko vidi Kaj sistem, vendar pa ga ne more ali pa ga zelo slabo vidi Kje sistem. Lahko je videti raven, lahko je videti, kot da spreminja položaj ali je lahko videti, kot da plava zato, ker je premajhen kontrast svetilnosti, da bi ponudil ustrezno informacijo.

25. Nasprotno, nekaj, kar je definirano z zelo nizkim kontrastom obrisa, lahko vidi Kje sistem, ne pa Kaj sistem in se zanj lahko zdi, da ima globino in prostorsko organizacijo, vendar pa ne jasnega obrisa. • Barve z enako svetilnostjo umetniki poznajo že dolgo časa kot posebne barve zato, ker ustvarijo videz vibriranja, premikanja ozirom nenavadnosti.

26. Ta nenavadna kvaliteta se pojavi zato, ker Kaj sistem lahko vidi nekaj, kar Kje sistem ne more. Z Kaj sistemom lahko prepoznamo posamezni objekt, njegov položaj in gibanje pa sta nedoločena. • Na primer, slika Richarda Anuszkiewicza Obrnjeni plus daje disonanten, živčen vtis zato, ker sta rdeča in zelena enako svetilni.

27. Spreobrnitev med figuro in ozadjem je sestavljena iz težave pri zaznavanju organizacije figura/ozadje z barvami z enako svetilnostjo. • Kaj sistem lahko vidi oblike zaradi močnega barvnega kontrasta, toda Kje sistem jih ne more videti dobro ali pa jih sploh ne vidi. • Če jih Kje sistem ne more videti, jim ne more pripisati položaja, tako da se figure zfijo nestabilne in živčne.

28. Ker ima Kje sistem zelo visoko občutljivost in minljive, hitre odzive, interpretira obe od teh barv z enako svetilnostjo kot hkrati svetlejše in temnejše od druge barve, kar povzroči, da je slika videti, kot da utripa. • Vsakič, ko premaknete oči, obnovite konflikt, v katerem se zdi, da je vsaka figura tako svetlejša kot temnejša od svojega ozadja.