Глаз, мозг и камера. Что общего между техникой фотографии и механизмами человеческого зрения
Что общего и различного в оптическом аппарате человека и фотокамеры? Как фотография и мозг рождают зрительное ощущение, которое дарит нам удивительный мир, где мы живем? Рассказывают Никита Отставнов с соавтором ютуб-канала «Когнитив» Костей Ушаковым.
Первая ваша мысль, скорее всего, — красные. Мысль эта правильная, а цвет на самом деле ближе к зеленому или даже серому. Вы можете попробовать приложить цветовую шкалу, которая показана ниже, к самому рисунку и убедиться в этом.
Что же происходит с нашим восприятием? Почему мы признаемся себе, что ягоды красные, хотя видим совсем другой цвет? Откуда вообще берутся цвета и изображения?
Эти и многие другие вопросы мы обсудили с фотографом, видеооператором, техническим директором ютуб-канала «Когнитив» Костей Ушаковым. В течение долгого времени Костя учился и учится на собственных ошибках тому, что такое фотография и как ее правильно делать.
— Когда вы фотографируете, вы, по сути, сохраняете… свет. Вы хотите запечатлеть панораму, наводите камеру, щелкаете на кнопку и фотографируете… свет. Свет, преломленный от различных объектов, попадает к вам в объектив. Тот, в свою очередь, сужает поток света и проецирует его на сенсор.
В любой современной цифровой фотокамере сенсор — это самый важный, дорогой и сложный механизм. Он состоит из огромного количества светочувствительных элементов (ячеек), и когда свет попадает на них, то образуется электрический разряд, превращающий свет на матрице в черно-белое изображение. А чтобы оно стало цветным, на светочувствительную матрицу поверх накладывают цветной фильтр, состоящий из красного, зеленого и синего цветов, которые, смешиваясь, и делают изображение цветным.
Разумеется, если просто направить открытую матрицу на яркий источник света, вы не увидите никакого изображения — лишь сплошной белый цвет. Вам потребуется объектив, чтобы сформировать изображение.
Любопытно, но глаз человека работает по такому же принципу. Как вы помните из уроков физики, свет попадает на сетчатку через сложный оптический аппарат нашего глаза. Пучок света сужается, проходя через зрачок, и фокусируется на сетчатке благодаря хрусталику и стекловидному телу. Наш глаз — это объектив мозга.
Строение глаза сильно напоминает строение фотоаппарата.
Что же происходит со светом дальше на «матрице» нашего глаза, сетчатке? Как вы помните, цвет — это результат неполного преломления света от какой-то поверхности. Так, если солнечный свет попадает на зеленый листок дерева, то он поглощает практически все лучи, выпуская свет лишь одной длины волны — зеленой. Именно поэтому нам кажется, что лист зеленого цвета. Преломляющий объект как бы не дает другим цветам выйти за пределы себя, держит их в заложниках.
Тот же самый солнечный луч, что отразился от зеленого листа, попадает на сетчатку. Сетчатка, как известно, усеяна своеобразными клетками-рецепторами: палочками для черно-белого, периферического и ночного зрения и колбочками для цветного и центрального зрения. Свет возбуждает эти рецепторы, вызывая выделение нейротрансмиттера.
Каждый рецептор «подключен» к целому ряду нейронов, которые последовательно передают возбуждение от рецепторов в мозг. Забавно, что, попадая на сетчатку глаза, свет сперва продирается через нейроны и другие клетки и лишь затем попадает на палочки и колбочки (то есть на иллюстрации выше свет идет снизу вверх). Еще один, не менее забавный факт: свет не активирует клетки, а наоборот — тормозит.
Колбочки и палочки можно сравнить с пикселями на фотографии: так в каждой точке нашего изображения появляется сперва свет, а затем цвет. В итоге мы видим, что происходит вокруг.
— И как же у человека появляется цвет? Что такого особого делают палочки и колбочки? У нас, фотографов, сенсор фотоаппарата — своеобразный аналог сетчатки. И именно он играет важнейшую роль в появлении цвета на фотографии.
Если говорить о цветном изображении, будь то фотография или видео, тот тут цвет получается путем смешивания красного, зеленого и синего (всем знакомая аббревиатура RGB) для каждого отдельного пикселя изображения. Свет — пучок фотонов — проходит через матрицу, в каждом пикселе которой условно есть три фильтра (RGB). На выходе получается смешение этого света, появляется цвет.
Вообще, после изобретения черно-белой фотографии многие ученые экспериментировали со способами получения цветного изображения. Первые эксперименты были удачны лишь наполовину, потому что полученное цветное изображение нельзя было показывать на солнце — оно очень быстро выцветало. Если обратиться к любому справочнику или энциклопедии, можно узнать, что эксперименты с получением цветного изображения проводились довольно долго. Процесс создания самого изображения и закрепления его в позитивном, проявленном виде улучшался постепенно.
Если говорить про современный цифровой мир, то цветное изображение или видео мы получаем благодаря матрицам, установленным в фотоаппарате, видеокамере или в современном смартфоне, которые используют тот же принцип смешения трех цветов — красного, зеленого и синего. Есть ли у человека что-то подобное в голове?
У человека за формирование цветного зрения отвечают колбочки. Внутри каждой есть фотопигмент. В отличие от палочек с одним-единственным фотопигментом колбочки могут иметь один из трех типов фотопигмента, ответственный за восприятие строго определенной длины волны: красной (длинной), зеленой (средней) и синей (короткой). Та же самая аббревиатура — RGB.
На самом деле такое разделение колбочек очень условное.
Каждая индивидуальная колбочка не может различать цвета. Важна активность всех колбочек и уже последующая работа в нейронах.
К сожалению, сейчас не ясно, как именно в результате взаимного контакта этих трех типов колбочек появляется цвет.
На деле рецепторы — это только начало. Связанная работа трех видов колбочек формирует «цветовое пространство» глаза. Дальше, уже на уровне нейронов (специальные клетки, носящие названия биполярных и ганглионарных), начинается другая магия. Дело в том, что рецептивные поля колбочек частично пересекаются, как вы можете видеть на рисунке выше. Кажется, что это не самое эффективное решение природы.
Эвальд Геринг предположил, что в клетках происходит «смешение цветов». Одни клетки обрабатывают разницу активации красных и зеленых колбочек (R-G), другие — синих и суммарной активности красных и зеленых (B-R+G). Получается, что клетки кодируют уже не цвета, а их разницу: красный — зеленый и синий — желтый. То есть клетка представляет собой своеобразную палитру. Еще один тип ганглионарных клеток отвечает за яркость (разница черного и белого цветов).
Такая теория получила название оппонентной. Этому есть простое объяснение: глаз воспринимает один цвет, как бы выключая его оппонента. Например, если вы некоторое время будете смотреть на изображения ниже, а потом отведете взгляд, вы увидите зеленый след этого же изображения (сработает оппонентный цвет).
— В фотографии есть подобная идея противоположности цветов. Мы широко применяем теорию цвета, рассказывающую о цветовом круге и сочетании цветов. Изначально мы имеем три цвета — красный, зеленый и синий, что составляет базовый цветовой круг. Так же как и у глаза. Смешав их, получаем дополнительные цвета — оранжевый, фиолетовый и зеленый, которые добавляют в круг еще три части, таким образом мы получаем шесть частей. Смешивая цвета друг с другом в разных вариациях, в конечном итоге образуем цветовой круг, разделенный на 12 частей. Это общепринятый круг на текущий момент, названный цветовым кругом Иттена, в честь швейцарского художника и преподавателя Иоханнеса Иттена. Используя его, можно подбирать сочетания цветов так, чтобы они гармонировали между собой. Но подбирать нужно грамотно, в частности можно использовать комплементарные (противоположные) цвета.
Посмотрите на цветовой круг Иттена: комплементарные цвета — это те, что расположены строго друг напротив друга. Например, оранжевый и синий, зеленый и красный, фиолетовый и желтый. Комплементарные цвета — самые контрастные. Цветовой контраст, смешение различных оттенков в одном фото необходимы, чтобы вызвать у зрителя нужные эмоции и заставить почувствовать определенное настроение.
Продумывая идею фотографии, фотограф заранее определяется с тем, какой цвет будет доминирующим, какой позволит расставить акценты, а какой будет только мешать и его нужно исключить. Зная это, вы сможете проработать локацию для съемки и образ модели, а также работать на постпродакшене с обработкой фотографии.
Но при создании фотографии не меньшее значение имеет свет. Свет — это такое же важное художественное средство, как и цвет. Фотограф должен использовать его для придания нужного эффекта. Различные световые схемы могут сделать вашу фотографию драматичной, как, например, работа ниже.
Либо, наоборот, жизнерадостной и счастливой. С помощью правильно поставленного света можно подчеркнуть нужные вам цвета и закрыть от зрительного восприятия те, что не сильно важны.
Сочетание света и тени дает нужную контрастность фотографии в целом, что влияет на восприятие цветов, на их оттенок и насыщенность. Если правильно составить цветовую гамму на фото, то можно сконцентрировать внимание зрителя именно на том, что нужно вам. Самый простой способ привлечь внимание — добавить яркости и насыщенности цветам, чтобы взгляд зрителя сразу же зацепился за расставленные акценты.
Освещение для человеческого глаза также имеет огромное значение. Принято считать, что палочки и колбочки играют разную роль при различном освещении. Ночью света слишком мало, поэтому глаз не способен различать цвета. Напротив, днем, когда света достаточно, у нас появляется цветовое зрение. И здесь происходит уже то, о чем рассказывает Константин. Получается, что ночью работают только палочки, а днем преимущественно колбочки. Узнав это, невольно задаешься вопросом: в современном мире, где мы ежедневно пользуемся компьютером, и днем и ночью работают только колбочки?
Вместе с цветным зрением днем мы получаем и гораздо более четкую картинку. Это вызвано тем, что в районе центра нашей сетчатки находится наибольшее количество колбочек, в то время как палочки располагаются в основном по периметру.
В то же время колбочки хуже воспринимают разницу в интенсивности света (светочувствительность). Таким образом, два типа клеток приводят к зрительному восприятию.
Как только импульсы от глаза, проходящие через таламус, попадают в первичную зрительную кору, начинается обработка и у нас появляется ощущение — картинка, которую вы видите, чувства и эмоции, которую она вызывает.
— Видимо, восприятие фотографии у человека связано именно со зрительной корой. Потому что в фотографии очень важно эмоциональное значение цветов. Вот несколько примеров. Комфорт и тепло в кадр добавят оранжевый, желтый и красный, ведь именно эти ощущения мы испытываем, когда смотрим на закатное алое солнце или яркий песчаный пляж на островах. Не стоит забывать и о том, что сам по себе красный цвет олицетворяет опасность, агрессию, страсть или силу — в зависимости от задачи автора. Если же вы хотите вызвать у зрителя ощущение умиротворенности и спокойствия, выберите синий цвет, ведь именно его чаще всего можно встретить на фотографиях бескрайнего океана или неба. Зеленый цвет чаще используют в пейзажной фотографии, его принято ассоциировать с чем-то свежим, цветущим и ярким. Говоря о значении цветов, не стоит забывать и об оттенках, которые могут придать фотографии еще больше выразительности.
И в фотографии, и в кино авторы используют цвет, чтобы заставить зрителя чувствовать конкретное настроение, окунуть его в нужную атмосферу. В кино картинка динамична, поэтому возможностей передавать различные настроения больше. Например, в одной сцене вы используете теплые цвета, граничащие с сепией. Это поможет передать атмосферу старины, ностальгии по былым временам, уюта.
А в другой — более холодные цвета и оттенки, которые переносят зрителя в современный жестокий мир. Также можно сделать и с фото, сняв серию работ с одним сюжетом.
Эмоции, которые вызывает цвет, возникают в мозге человека после того, как картинка с наших глаз попадает на четвертое зрительное поле (V4). Здесь появляются весьма интересные группы нейронов, которые формируют цветовые круги. Так, каждому цвету соответствуют группы нейронов, которые располагаются по окружности под строго определенным углом к центру. Если эта зона по какой-то причине не функционирует, у человека развивается церебральная ахроматопсия. В этом случае человек на психологическом уровне не способен различать цвета. Для него жизнь словно черно-белое кино.
Чтобы от цвета возникло какое-то ощущение, важен прошлый опыт. Костя привел пример с ассоциациями: голубой и синий — бескрайние просторы неба и океана. У большинства людей такие ассоциации могут быть схожими, но возможно, что у конкретного человека синий вызовет совсем иные эмоции. И эффект от фотографии будет другим.
Импульс от сетчатки проходит первое и второе зрительные поля, где формируется концепция зрительного ощущения — черновая картинка, которую вскоре вы сможете осознать. Затем эта картинка достигает четвертого поля, которое добавляет информацию о цвете, и затем, уже в лобной коре, зрительное ощущение осознается. Так, свет, который попадает к нам в глаза, формирует комплексное зрительное восприятие уже в нашем мозге, подключая эмоции, ассоциации, память…
— Я думаю, что аналогией мозга для камеры является центральный процессор. Он отвечает за автофокусировку объектива, установленного на фотоаппарате (у человека это движения глаз в сторону изучаемого объекта), за работу затвора (у человека это моргание), настройку различных функций при работе с программным обеспечением камеры. Именно процессор отвечает за обработку изображения в вашей камере, показывая на экране итоговый результат. Принцип его работы схож с принципом работы процессора в компьютере или телефоне, поэтому можно сказать, что это мозг камеры.
Любопытно, что сенсоры, процессор, фильтры и другие технические детали фотоаппарата в итоге влияют на мозг человека. Вызывают эмоции, чувства. То, что делаем мы, фотографы, как бы стимулирует мозг человека, дополняя его зрительную систему. Определенные цвета могут возбуждать мозговую активность, заставлять окунуться в ностальгию, почувствовать тепло и уют или же, наоборот, ощутить тревогу или дискомфорт. Возможно, фотокамера — прекрасный инструмент для стимуляции мозга, который может помочь человеку богаче воспринимать мир.
Как вы могли убедиться, зрительное восприятие и работа фотоаппарата — очень схожие вещи. От самого первого этапа — попадания света в глаз или объектив — до самого последнего — формирования ощущений от изображения, от его цвета (созданного палочками и колбочками или матрицей камеры) и от формы. Еще вчера знание механизма нашего зрения помогло создать фото- и видеокамеры. А сейчас уже фотография помогает нам лучше понять работу зрительного аппарата человека. Стимулирует мозг и обучает. Хочется верить, что в будущем технологии позволят углубиться еще больше в искусство фотографии и кинематограф и таким образом помогут ответить на оставшиеся загадки зрительного восприятия.
