Värien näkeminen

Värien näkeminen

Mitä tarvitaan näkemiseen?

Kahta asiaa: silmiä ja valoa. Koululaisvitsin tapainen itsestäänselvyys sisältää perustotuuden, johon voi vielä liittää muna/kana-tyyppisen pohdiskelunkin. Ilmeistä on, että valoa on ollut aikaisemmin kuin silmiä, ja eliöiden silmät ovat kehittyneet havaitsemaan olemassa olevaa asiaa, Auringon valoa. Auringosta Maahan tulevassa säteilyssä on toki paljon muitakin kuin ihmissilmin näkyvän valon aallonpituuksia, mutta näkyvän valon alueella säteilyn määrä on suurin - ei niinkään yllättävää, että silmät ovat mukautuneet havaitsemaan juuri runsainta säteilyaluetta!

Ihmisen valona aistima sähkömagneettisen säteilyn aallonpituusalue ulottuu noin 400 nm:n ja 700 nm: n välille (4-7 millimetrin kymmenestuhannesosaa). Kaikkiaan valoa on varsin pieni osa säteilyjakautumasta, joka ulottuu kilometrien mittaisista radioaalloista millimetrin miljoonasosien suuruusluokassa olevaan radioaktiiviseen gammasäteilyyn. Pienelle aallonpituusalueelle mahtuu kuitenkin koko värien kirjo punaisesta siniseen ja violettiin.

Värien erottamisen perusta löytyy siitä, että valon eri aallonpituudet aistitaan eri väreinä. Väri onkin juuri havaitsijan aistien määrittelemä ominaisuus, sähkömagneettinen säteily sinänsä ei ole minkään "väristä", se on vain säteilyenergiaa. Värinäön vaihtelevuudesta johtuen eri henkilöt näkevät värit jossain määrin erilaisina. Eläimillä värien näkemisen alue saattaa olla paljonkin laajempi kuin ihmisellä. Kehitys on johtanut kullekin lajille merkityksellisten ominaisuuksien vahvistumiseen, ja esimerkiksi joillekin linnuille tai hyönteisille on ravinnon hankinnan kannalta tärkeätä havaita ultraviolettialueen säteilyä.


Silmän rakenne


Värikoulu - silmän rakenne
Oheisessa kaavakuvassa on pääpiirtein silmän poikkileikkaus. Optinen järjestelmä muodostaa katseltavasta kohteesta kuvan verkkokalvolle, ja siellä valoherkät solut tuottavat aisti-informaatiota hermostolle. Varsinainen näköaistimuksen muokkaaminen tapahtuu sitten aivojen näkökeskuksessa. Optisen järjestelmän muodostavat sarveiskalvo, iiris, mykiö ja silmän lasiaisneste, jotka huolehtivat valon määrästä ja verkkokalvolle muodostuvan kuvan terävyydestä. Verkkokalvolla on kahdentyyppisiä valoherkkiä soluja, joiden vastaanottaessa valoa syntyy hermoimpulsseja.


Valon tulosuunnasta tarkasteltuna on verkkokalvolla päällimmäisenä näköhermoja. Niiden alla on solukkoa, joka muuttaa valoherkän solun tuotoksen hermoimpulsseiksi, ja alimmaisena tappi- ja sauvasolut silmän pohjaa vasten. Valoherkkien solujen päällä oleva solukko on läpinäkyvää. 


Tappisolut erottelevat värejä

Verkkokalvolla on melko laajalla alueella suuri määrä (120 miljoonaa) sauvasoluja, jotka eivät ole väriherkkiä, mutta aistivat valon määrän vaihteluita hyvin herkästi. Nämä sauvasolut tekevät näkökentästä laajan erityisesti sivusuunnassa. Ihmiselle on ollut tärkeätä havaita sivuillakin olevat uhat tai saaliseläimet, joten näille soluille on kehittynyt erityisen hyvä kyky tunnistaa liikettä, siis valoisuusvaihteluita. Nämä solut ovat myös sikäli herkempiä, että ne toimivat vähäisemmässä valossa kuin toinen valoherkkä solutyyppi, värejä aistivat tappisolut. Niukassa valossa toimivatkin pääasiassa vain sauvasolut, joten värejä ei nähdä. Kaikki kissat ovat hämärässä harmaita, tai ainakin mustavalkoisia.

Tappisoluja on paljon vähemmän kuin sauvasoluja (6 miljoonaa), ja ne ovat keskittyneet yhteen kohtaan verkkokalvoa, niin sanottuun tarkan näön keskukseen eli foveaan. Tarkkaa katselua varten on silmän verkkokalvolla vain pieni alue, jossa valon "vastaanottimia" on hyvin tiheässä. Ihminen voikin nähdä tarkasti vain melko pienen alueen kerrallaan, esimerkiksi tästä tekstistä vain 8-12 kirjainta - luettaessa katsetta on siirrettävä koko ajan. Värinäkökin on tarkin tällä samalla pienellä alueella.

Värien erottelua varten tappisoluja on kolmea eri laatua. Yksi on herkin punaisen, toinen vihreän ja kolmas sinisen valon aallonpituudelle. Näiden kolmen informaation yhdistelmänä saadaan vaikutelma laajasta ja monimuotoisesta värimaailmasta. Tästä silmän rakenteellisesta ja toiminnallisesta perustasta sitten seuraa, että valon värejä tarkasteltaessa päävärit ovat nimenomaan nuo punainen, vihreä ja sininen.


Kaikkien kolmen tappilaadun yhteinen herkkyyskäyrä näyttää tältä.



Valon aallonpituusjakauma ja silmän eri tappisolujen herkkyyttä kuvaavat käyrät. Siniherkkien tappien herkkyysalue vastaa käyrää B, vihreätä aistivien G ja punaherkkien R. Yhdessä nämä kolme lajia kattavat koko valon aallonpituusalueen, joskin kokonaisuutena silmä on herkin sinivihreällä alueella, jota on auringonvalossa runsaimmin.

Yleinen käsite RGB-väriavaruus liittyy siihen, että valon värit voidaan esittää näiden kolmen värin yhdistelminä. Eri värejä voidaan myös tuottaa yhdistämällä sopivia määriä näitä kolmea väriä - siis silmään tulevassa valossa. Sama väriaistimus, vaikkapa keltainen, voidaankin saada useista hyvinkin erilaisista valon aallonpituusjakautumista. Monokromaattinen, yhtä aallonpituutta sisältävä 580 nm:n säteily aistitaan keltaisena, mutta keltaiselta vaikuttaa myös valo jossa on puoliksi punaista ja vihreää, jakautumassa keltaisen kahden puolen olevia värejä.

Tekniikka jäljittelee ja huijaa silmää

Tekniset valon rekisteröintilaitteet, kuten digikameroiden ilmaisinkennot, toimivat samalla periaatteella kuin silmäkin, siis mittaavat kennoon tulevasta valosta punaisen, vihreän ja sinisen valon määrät. Kokonaismäärä tietysti on yhteydessä valon kirkkauteen, ja osavärien suhteellisista osuuksista lasketaan valon väri. Koko väriskaala saadaan silmälle näkyväksi esimerkiksi television tai tietokoneen ruudulla silmän toiminnan rajoituksista johtuen tai paremminkin niiden avulla. Yhdistelemällä kolmea pääväriä saadaan silmä huijattua aistimaan laaja väriasteikko. Silmä ei erota, näkeekö se tiettyä yksittäistä väriä sitä vastaavana aallonpituutena vai onko valossa sopiva seos punaista, sinistä ja vihreää. Esimerkiksi osa videoprojektoreista toimii projisoimalla tarkasti päällekkäin kolme päävärien kuvaa.

Näkökykymme ei myöskään ole äärettömän tarkka, vaan pienien yksityiskohtien erottaminen on rajallista. Tähän silmien rajoitukseen perustuen voidaan eri värejä tuottaa myös rasterilla, jossa on pieniä pääväritäpliä tiheässä rinnakkain. Silmä ei taaskaan kykene erottamaan, onko TV-ruudun kuvassa keltaista väriä vai vuorotellen pieniä punaisia ja vihreitä täpliä. Näin saadaan käytännössä riittämään, että tuotetaan nähtäväksi kolmea perusväriä - silmää huijataan aistimaan niiden seokset laajana väriasteikkona. RGB-värijärjestelmää sanotaan myös additiiviseksi, siis summaavaksi, koska siinä eri värejä tuotetaan pääväreistä yhdistämällä niitä toisiinsa lisäämällä valoa: siis esimerkiksi keltaista lisäämällä vihreään valoon punaista. Maaleja sekoitettaessa tilanne on kokonaan toinen.



Tietokoneen lattanäyttö lähikuvassa. Kuva ja sen värit muodostuvat kolmenvärisistä valojuovista. TV:n kuvaruutu lähikuvassa. Väripisteet ovat niin pieniä, että normaalilta katseluetäisyydeltä silmä näkee pinnan yhtenäisenä.

 Värikoulu RGB-kiilat Päävärien sekoittuminen additiivisesti: punaisen ja sinisen yhdistelmänä saadaan näytölle magentaa, sinisestä ja vihreästä syaania ja vihreää punaiseen yhdistämällä keltaista. Kaikki yhdessä tuottavat valkoista.

  Väriympyrässä RGB-värien välissä olevat värit saadaan lisäämällä värillisiä valoja toisiinsa. Ympyrän vastakkaisilla puolilla ovat ns. vastavärit.

Silmän värivirheet - heikentynyt väriaisti

Värinäön vajavaisuudet voivat olla hyvin monenlaisia. Tappisolujahan on kolmea laatua, ja mikä hyvänsä näistä voi toimia heikommin kuin muut. Lisäksi värien aistimiseen vaikuttaa aivojen toimintakin, joten mahdollisuuksia vaihteluun on. Täydellinen värien erottaminen onkin enemmän poikkeus kuin sääntö, ja useimmilla ihmisillä on jonkinasteisia heikkouksia tässä suhteessa. Yleisin, ns. punavihersokeus,  johtuu vihreää aistivien tappisolujen poikkeavasta toiminnasta - nekin ovat punaiselle herkkiä. Värisokeus tai heikentynyt väriaisti ei yleensä haittaa asianomaista ollenkaan. Tavallisesti hän ei itse tiedä asiaa, ellei värinäköä ole nimenomaan testattu. Kukin meistä on mukautunut elämään oman näköaistinsa kanssa ja tottunut siihen.

Silmin näkyvät värit - CIELab

Yleismaailmallisesti on sovittu järjestelmästä, jolla värit voidaan määritellä kolmella luvulla. Näistä yksi kuvaa kirkkautta, toinen väriä punaisesta vihreään ja kolmas sinisestä keltaiseen ulottuvalla asteikolla. Lab-värejä määriteltäessä on otettu huomioon nimenomaan ihmissilmän havaintokyky. Tiettyjä CIELab-lukuja vastaavan värin pitäisi näyttää samalta millä hyvänsä tekniikalla missä päin maailmaa tahansa tuotettuna. Teknisillä menetelmillä on tietysti aina rajoituksensakin. Ihan kaikkia luonnossa esiintyviä ja silmän näkemiä värejä ei sentään saada esimerkiksi näyttöruudulle tuotettua, vaikka melko laaja väriskaala saadaankin aikaan.




Painettu kuva on eri juttu

Painoväreissä käytetään pääväreinä RGB-värien "väleissä" olevia, siis niitä yhdistelemällä saatavia värejä. Syaanin, magentan ja keltaisen lisäksi painotuotteen sävykkyyttä tehostetaan mustalla värillä. Offsetpainokin perustuu kuitenkin siihen, että silmä ei erota vierekkäin painettuja väritäpliä erillisinä, vaan ne nähdään yhtenäisenä väripintana.

Painovärien CMYK-järjestelmää sanotaan subtraktiiviseksi, vähentäväksi, koska siinä väri muodostuu värien imiessä valosta pois joitakin värejä, jolloin värit vähenevät, ja jäljelle jää toivottu määrä. Vähentävässä järjestelmässä syaani ja magenta tuottavat sinistä, syaani keltaiseen yhdistettynä vihreää ja keltaisen sekoittaminen magentaan punaista. RGB- ja CMYK-järjestelmien päinvastaisuus tuottaa tietysti hienoja mahdollisuuksia sekaantua värien sekoittumisen muistisäännöissä.
 
  Värien sekoittuminen subtraktiivisesti. Kaikki yhdessä tuottavat mustaa..


Maalien sekoittaminen on vielä eri asia

Kolmanteen värien sekoittumisen tilanteeseen tullaan maalien tai taiteilijavärien sekoittamisessa. Siinähän maalista tehdään tietyn väristä, eikä pyritä huijaamaan silmää näkemään vierekkäisiä väritäpliä yhtenäisenä pintana. Maalien värivalikoima voikin periaatteessa olla jonkin verran suurempi kuin painettujen tai ruutukuvien. Subtraktiivisesta, vähentävästä, värien sekoittumisesta tällöinkin on kysymys, maalitkin imevät itseensä osan valon väreistä ja jättävät toivotun osan jäljelle.


Painovärin tai maalin esittäminen kuvaruudulla

Edellä olevasta käynee ilmi, että kuvaruudun additiivinen RGB-väriavaruus ja maalien subtraktiivinen CMYK-maailma ovat melko lailla vastakkaisia asioita, eikä täysin tarkkaa vastaavuutta saada aikaan. Siitä huolimatta kuvaruudulta voidaan saada hyvä käsitys siitä, miltä värit näyttävät muissakin olosuhteissa, siis vaikkapa ulkona. Avuksi tulee vielä yksi silmän ominaisuus, liekö se sitten heikkous vai vahvuus: silmä mukautuu erinomaisen hyvin vaihteleviin katseluolosuhteisiin. Lisäksi havaintojärjestelmämme "muistaa" useita värejä ja mukauttaa havaintojaan sen mukaan. Esimerkiksi ihmisen ihon väri, ruohon vihreä ja paperin valkoinen mielletään suunnilleen samanlaisiksi hyvinkin erilaisissa valaistusolosuhteissa. Mittarilla tutkittuna valkoinen paperi heijastaa sisällä hehkulampun valossa hyvin erilaista aallonpituusjakaumaa kuin ulkona auringonpaisteessa, mutta meistä se on kummassakin tilanteessa valkoinen.

Ruudun väreihin mukauduttuaan silmät näkevät värejä melko luonnollisina. Kuvaruudulla värejä tarkasteltessa on tärkeää - ehkä tärkeintä - että ympäristö on neutraali ja valaistus kohtuullinen. Normaali himmeähkö huonevalaistus on täysin käyttökelpoinen, mutta suuri määrä ulkovaloa siihen sekoittuneena saattaa olla ongelmallista. Näyttöruudun ympäristön pitäisi olla väriltään melko neutraalia, ei suuria kirkkaita väripintoja eikä ylipäätään voimakkaita värejä silmää sekoittamassa. Mitä värittömämpi ja harmaampi ympäristö on, sitä paremmin silmä voi keskittyä mukautumaan näyttöruudun värimaailmaan.

Nopeasti yleistyneillä lattanäytöillä ei juuri ole värien säätämisen mahdollisuuksia eikä siihen ole syytäkään. Putkinäytöillä on syytä ennen värien kriittistä tarkastelua varmistaa, että säädöt ovat kohtuullisesti paikallaan. Harmaan neutraalius on hyvä vertailukohde: jos harmaaksi tiedetty kohta kuvaa on selvästi jonkin värinen, on syytä tarttua säätönappuloihin. Kuvankäsittelyohjelmien mukana on usein tullut apuohjelmia, jotka on tarkoitettu näyttöruudun säätöön, ja sellaisestakin on joskus apua. Varsinaisesta näytön erikoistyökaluilla tehtävästä kalibroinnista on apua vain niiden kuvankäsittelyohjelmien kanssa, jotka osaavat ottaa kalibrointitiedot huomioon.

 
  Silmien näkemistä väreistä eri tekniikoilla toistettavissa olevat osuudet.


Teksti ja kuvat: Sakari Mäkelä, FK
(Artikkeli Tikkurilan Viesti -lehdessä nro 2 marraskuu 2004)