Динамические эффекты зрения — Циклопедия

Основные «цвета» шумов[ | ]

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются с помощью графиков (гистограмм) спектральной плотности, то есть распределения мощности сигнала по частотам. Кроме того, при анализе реальных сигналов большое значение имеет оценка автокорреляционной функции процесса; из всех видов шума белый шум является единственным процессом, в котором значения сигнала в разные моменты времени не зависят друг от друга и никак не связаны (автокорреляция отсутствует).

Белый шум[ | ]

Белый шум — это сигнал с равномерной спектральной плотностью на всех частотах и дисперсией, равной бесконечности. Является стационарным случайным процессом.

Другими словами, такой сигнал имеет одинаковую мощность в одинаковой полосе частот любой части диапазона. К примеру сигнал полосой в 20 Гц между 40 и 60 Гц имеет такую же мощность, что и сигнал полосой 20 Гц между 4000 и 4020 Гц.
Неограниченный по частоте белый шум возможен только в теории, так как в этом случае его мощность бесконечна. На практике сигнал может быть белым шумом только в ограниченной полосе частот.

В прикладных областях известен также как мерцательный (фликкер-шум), 1/f шум. Спектральная плотность мощности розового шума определяется формулой ~1/f{displaystyle 1/f}1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерно убывающим в логарифмической шкале частот. Например, мощность сигнала в полосе частот между 40 и 60 Герц равна мощности в полосе между 4000 и 6000 Герц. Спектральная плотность такого сигнала по сравнению с белым шумом затухает на 3 децибела на каждую октаву. Шум мерцаний обладает «памятью» о своём прошлом равномерной в логарифмической шкале времени.

Розовый шум обнаруживается, например, в сердечных ритмах, в графиках электрической активности мозга, в электромагнитном излучении космических тел, а также практически в любых электронных и механических устройствах.

Иногда обобщённым розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты, то есть включают также красный (броуновский) и другие случайные процессы с забыванием во времени.

Спектральная плотность красного шума пропорциональна 1/f², где f — частота. Это означает, что на низких частотах шум имеет больше энергии, чем на высоких. Энергия шума падает на 6 децибел на октаву. Акустический красный шум слышится как приглушённый, в сравнении с белым или розовым шумом. Может быть получен путём интегрирования белого шума (с математической точки зрения интеграл от гауссовского белого шума известен под названием “винеровский процесс“) или с помощью алгоритма, симулирующего броуновское движение. Спектр красного шума зеркально-противоположен спектру фиолетового.

На слух броуновский шум воспринимается более «тёплым», чем белый.

Иногда (обычно в текстах, переведенных с английского языка) этот шум называют также «коричневым», переводя фамилию Роберта Броуна (Брауна) (Brown) на русский. «Коричневый» шум назван так не из-за спектра мощности, соответствующего коричневому цвету, а как характерный для броуновского (брауновского) движения. Название “красный шум” описывает форму спектра мощности (и розовый шум оказывается промежуточным между красным и белым). Также известен как шум случайных блужданий или «шум пьяной ходьбы».

Серый шум[ | ]

Американский глоссарий Федерального стандарта 1037C по телекоммуникациям даёт определения белому, розовому, синему и чёрному шуму[2].

Предлагаем ознакомиться  Гидрокортизоновая глазная мазь: инструкция по применению

[править]История становления нелинейных воззрений

В пятидесятых годах цветное телевидение только начинало входить в жизнь. В один из дней 1956 года английская телевизионная компания попросила телезрителей, обладателей обычных черно-белых телевизоров, в определенный час посмотреть на экран и сообщить свои впечатления. Можно себе представить удивление зрителей, когда на черно-белом экране появился… цветной кубик.

Само по себе ощущение цвета от действия неокрашенного белого света с позиций трёхкомпонентной теории кажется просто невероятным. Белый свет в одинаковой степени должен действовать на все три типа колбочек; иначе действует он на палочку, но никакой цветовой информации она выдать не может. Попытки объяснить эти явления сводились к одному: коль цвета нет, то цветового сигнала рецептора быть не должно. Поэтому наблюдателю только кажется, что он видит цвет; ощущение цвета — субъективное явление, обусловленное непонятной особенностью работы мозга.

Любой процесс происходит не мгновенно. Для того чтобы он установился, требуется определённое время. С точки зрения энергетической работу рецептора можно грубо представить как процесс перекачки через него энергии от внешних источников. В начальном состоянии рецептор «заряжен» каким-то количеством энергии, при попадании на него света он разряжается.

В заряженном рецепторе электрическое поле очень сильное, он находится в сильно поляризованном состоянии. Это соответствует случаю, когда рецептор долгое время пребывал в полной темноте. Поляризация настолько высока, что рецептор может «сработать» — выдать импульс под воздействием не только света, но и малейших тепловых, механических, электрических воздействий.

При включении света рецептор, находившийся в режиме максимальной чувствительности, начинает генерировать импульсы, частота следования которых вначале очень высока, мало зависит от интенсивности света и в первый момент времени определяется только свойствами мембраны рецепторной клетки. Если действие света продолжается, начинается ионизация и разложение молекул зрительного пигмента, физические свойства которого изменяются.

При этом вероятность захвата фотонов снижается, так как пигмент начинает «выцветать». Образовавшиеся ионы тормозят восстановление двойного потенциального слоя. Два эти фактора вызывают уменьшение частоты импульсов. Как только в рецепторе процессы стабилизируются, стабилизируется и частота импульсации.

Само собой разумеется, что чем больше общая интенсивность света, тем меньше будет увеличение частоты при одном и том же изменении интенсивности; то есть приращение частоты не пропорционально приращению интенсивности света. Это очень хорошо ощущается при выходе из темного помещения на освещённую солнцем улицу. Вначале свет кажется очень ярким. Спустя некоторое время глаза привыкают, свет уже не «режет» глаз. Поляризация рецепторов становится невысокой.

Обратное действие происходит при входе в темное помещение. Чтобы глаз «привык» к темноте, требуется определённое время, в течение которого устанавливается соответствующий уровень поляризации. Процесс поляризации, восстановления гораздо более длителен. Глаз быстрее привыкает к свету, чем к полумраку.

Описанное свойство зрения называется адаптацией (приспосабливанием), Энергия «синего» фотона, в два раза выше энергии «красного». Чтобы реакция на «красный» фотон была такой же, как и на «синий», вероятность захвата первого должна быть больше, поэтому размер красночувствительной области должен быть значительнее, а следовательно, должны быть больше и её электрохимическая емкость и зависящая от нее постоянная времени.

Предлагаем ознакомиться  Полная коррекция зрения очками за и против

Это значит, что при включении света переходные процессы будут равной продолжительности для красно- и зелёночувствительной областей колбочки, а также для палочки. Поэтому процесс адаптации к свету зелёночувствительной области колбочки продолжительнее, чем палочки, но короче, чем красночувствительной области.

При включении света изменение физических свойств рецепторов приводит к тому, что процессы адаптации почти не вызывают ощущения изменения цвета.

При выключении света пигменты начинают восстанавливаться, ионизация, обусловленная действием света, прекращается, перераспределяются заряды, возрастает степень поляризации. Казалось бы, и при восстановлении, при темновой адаптации эти процессы должны происходить в том же порядке и с теми же скоростями.

Однако здесь ждет сюрприз: скорости практически одинаковы, хотя электрохимические емкости различны. Это происходит потому, что чем больше емкость, тем меньше динамическое сопротивление, тем выше ток заряда. Происходит точно то же, что и с аккумуляторами: «садится» быстрее тот, у которого меньше емкость; время же зарядки их одинаково.

Прежде чем рассмотреть механизм эффекта Бенхема, проанализируем ещё один частный случай. Если некоторое время освещать рецепторы красным светом, палочка и зелёночувствительная область колбочки окажутся поляризованными, так как они мало чувствительны к длинноволновой области спектра. Колбочка разбалансирована в «красную» сторону, система колбочка-палочка — в «жёлтую».

Ощущается красный цвет. Если же красный свет быстро заменить белым, сигнал поляризованной палочки и зелёночувствительной области колбочки будет сильнее, а частично деполяризованной красночувствительной области колбочки — слабее. Система окажется разбалансированной: палочка — колбочка в синюю сторону, колбочка — в зеленую.

Изменение ощущаемого цвета при изменении интенсивности или спектрального состава освещения принято называть последовательным цветовым образом.

При определенных условиях процесс восстановления состоит из двух фаз, при которых возможна инверсия цвета. Чтобы это заметить, необходим глубокий разряд рецептора.

В темной комнате на расстоянии 30 — 40 см от глаз располагают экран из черной бумаги размером около 40 Х 40 см, в центре которого прокалывают отверстие диаметром 2 мм. Через это отверстие на глаз наблюдателя направляется свет от вплотную приставленного к отверстию диапроектора. Опыт ставят дважды с интервалом 5 — 10 минут, так как при столь ярком свете потенциал восстанавливается за 3-5 минут.

Включив проектор, нужно зафиксировать взгляд на светящейся точке на 5 — 10 секунд, затем резко закрыть оба глаза — возникнет последовательный образ светящейся точки. Если точка была красной, то при закрытых глазах на темном фоне она останется красной. Сильно возбужденный рецептор продолжает «по инерции» выдавать оба сигнала, яркостный и цветовой.

Инверсию цвета очень легко заметить, если после 10-секундной фиксации точки закрыть глаза, прикрыть их ладонью и перевести взгляд на приготовленный заранее лист белой бумаги. Затем включить настольную лампу, ярко осветив ею бумагу, убрать ладонь и следить за последовательным образом, медленно открывая глаза.

По мере увеличения видимой яркости листа цвет последовательного образа поблекнет, исчезнет, а потом появится противоположный. Если фиксировалась синяя точка, эффект будет непродолжительным и малозаметным. Если же фиксировалась красная точка, закрывая и открывая глаза, можно в течение 10 — 15 секунд многократно наблюдать инверсию цвета.

Предлагаем ознакомиться  Косоглазие « Восстановление зрения — самостоятельное восстановление зрения без операции

Рассмотренного уже достаточно, чтобы разобраться в том, как на черно-белом телевизоре может быть получено цветное изображение — эффект Бенхема. Но прежде рассмотрим одно очень интересное явление, которое и сегодня выглядит несколько таинственно. Речь идет о знаменитом «зелёном луче», который не раз упоминался и в научно-популярной, и в художественной литературе.

Если внимательно следить за заходом солнца на далеком горизонте, то в момент, когда исчезает последний, красный от преломления в земной атмосфере луч, иногда удается заметить вспышку зелёного цвета. «Зелёный луч» не заметен, когда солнце заходит за недалеко расположенный предмет и когда в атмосфере дымка.

С точки зрения современной физики, «зелёный луч» объясняется дифракцией света в атмосфере (даже в обычных условиях всегда видно, что нижняя часть солнца более красная, а верхняя меняется от оранжевого к желтому). Тем не менее, существуют (не признаваемые мейнстримом современной науки) попытки объяснить зелёный луч динамическими эффектами зрения. Ниже эта теория описана подробнее.

Описанный ранее опыт показал, что инверсия красного цвета имеет место в случае, когда исчезновение его происходит быстро, а фон, на котором была видна точка, достаточно ярок, чтобы яркостный сигнал, ранее определявшийся преобладающей яркостью красной точки, стал определяться яркостью сохранившегося фона.

Согласно данной концепции, и зеленый луч объясняется ощущением, вызванным физическими переходными процессами рецепторов глаза. Ясно, что в случае близкого горизонта «зелёного луча» не будет. Ясно и то, что дымка не позволит увидеть луч. Также отмечается, что глаз совершает беспрерывные хаотические скачкообразные движения, а увидеть луч можно только в том случае, если произошла достаточная засветка рецепторов, то есть если глаз оставался неподвижным в момент исчезновения солнца и, по крайней мере, около секунды до этого.

Похожее описанному явление, но уже точно объясняющееся только динамическими эффектами, можно наблюдать дома, в опыте. Для этого в вышеописанном опыте вместо черной бумаги нужно использовать белую, размером около 20 Х 20 см. В затемненной комнате лист белой бумаги равномерно освещают белым светом, притом яркость его подбирают опытным путем.

Экран располагают на расстоянии 40 — 60 см от глаза, отверстие в экране должно иметь диаметр около 2 мм. Опыт осуществляется просто. На 2-3 секунды взгляд фиксируют на красной точке, затем диапроектор выключают. В силу того, что глаз совершает хаотические скачки, зеленый цвет виден в среднем раз на каждые 8-20 включений. Следует заметить, что промежутки между опытами должны составлять не менее 2-3 минут, необходимых для адаптации глаза.

Другие[ | ]

Оранжевый шум[ | ]

Оранжевый шум — квазистационарный шум с конечной спектральной плотностью. Спектр такого шума имеет полоски нулевой энергии, рассеянные по всему спектру. Эти полоски располагаются на частотах музыкальных нот[3].

Красный шум[ | ]

Красный шум — может быть как синонимом броуновского шума, так и обозначением естественного шума, характерного для больших водоёмов — морей и океанов, поглощающих высокие частоты. Красный шум слышен с берега от отдалённых объектов, находящихся в океане.

Чёрный шум[ | ]

Термин «чёрный шум» имеет несколько определений: