Värvitaju

Värvitaju on võime ära tunda erinevusi valguse spektraalses koostises. Värvitaju moodustab osa nägemisaistingust ja põhineb asjaolul, et värvusi tajuvate elusolendite silmas on eri tüüpi retseptorid, millest igaüks on tundlik valguse spektri kindlate piirkondade suhtes.

• 1672 – Isaac Newton avastas, et nähtav valge valgus on tegelikult liitkiirgus, mis sisaldab kõiki spektrivärve^[1].
• 1794 – John Dalton kirjeldas oma värvinägemispuuet, mis laskis tal näha punast vaid ebamäärase toonina ning rohelist, kollast ja oranži kollase eri varjunditena. Punase-rohelise värvipimedus sai tema järgi nimetuse daltonism.
• 1801 – Thomas Young oletas, et võimalus kõik värvused kolmest primaarvärvusest tuletada põhineb nägemise füsioloogial, ning püstitas hüpoteesi, et silma võrkkestas on kolme tüüpi retseptoreid, mille tundlikkus vastab põhivärvide lainepikkustele^[2].
• 1850 – Hermann von Helmholtz kinnitas Thomas Youngi hüpoteesi ja sõnastas värvitaju trikromaatilise teooria, mida nimetatakse ka Youngi-Helmholtzi värvitaju teooriaks.
• 1855 – James Clerk Maxwell avastas värvipimeduse mitu eri tüüpi ja selgitas neid, tuginedes eri tüüpi retseptorite teooriale^[3].
• 1874 – füsioloog Ewald Hering sõnastas kolmevärviteooriale vastanduva oponentse värvitaju teooria.
• 1902 – füsioloog ja psühholoog Johannes von Kries avaldas Heringi teooria edasiarenduse, milles lahendab Youngi-Helmholtzi teooria ja Heringi teooria näilise vastukäivuse ja näitas, et kaks teooriat on tegelikult komplementaarsed.
• 1956 – Gunnar Svaetichin tõestas katseliselt kolmele eri lainepikkusele tundlike rakkude olemasolu võrkkestas.

Mitteläbipaistvalt objektilt valgus kas peegeldub, seda nimetatakse valguse refleksiooniks, või neeldub objekti pinnas, seda nimetatakse absorptsiooniks. Ka refleksioonil võib osa valgusest samaaegselt neelduda.

Kui neeldumine ja peegeldumine toimub kõigi spektriosade suhtes mitteselektiivselt, tajub vaataja akromaatilist värvust.

• Pinda, mis mitteselektiivselt peegeldab suurema osa valgusest, tajume valgena.
• Pinda, mis mitteselektiivselt suurema osa sellele langenud valgusest neelab, tajume mustana.
• Pinda, mis miteselektiivselt osa kiirgusest neelab ja osa peegeldab, tajume hallina.

Kui neelamine ja peegeldumine toimub eri spektriosade suhtes valikuliselt, tajub vaataja kromaatilist värvust.

• Kui pinnalt peegeldub vaid roheline spektriosa ja punane ja violetne neelduvad, tajume pinda rohelisena.
• Kui pinnalt peegelduvad punane ja roheline spektriosa ja violetne neeldub, tajume pinda kollasena.

Keemilisi ühendeid, millel on võime valikuliselt neelata ja peegeldada valgust, nimetatakse pigmentideks. Värvusaistingu tekitavad nii anorgaanilised ühendid (värvipigmendid) kui ka orgaanilised ühendid (pigmendid) elusolendite rakkudes samal põhimõttel, valguse valikulisel absorptsioonil ja refleksioonil. Pinnalt peegeldunud valguse jaotust kirjeldab spektraalse refleksiooni kõver, mis on igal keemilisel ühendil ainult sellele ühendile omane.

Igal keemilisele ühendile ainuomane peegeldumis-neeldumisspekter leiab kasutust näiteks kunstiajaloo ja pärandkultuuri objektide uurimises multispektraalfotograafia abil^[4].

Objektilt valikuliselt peegeldunud valgus jõuab vaataja ajusse nägemiselundi vahendusel. Inimese (ja teiste imetajate) kaameratüüpi silmas langeb valgus läbi silmaava silma tagaseinas asuvale võrkkestale, milles on nelja erinevat tüüpi valgustundlikke rakke ehk fotoretseptoreid. Kepprakud ehk kepikesed tajuvad ainult valguse heledust, värvitaju seisukohalt on olulised kolme eri tüüpi koonusrakud ehk kolvikesed. Iga kolvikesetüüp reageerib erinevale valguse lainepikkuste vahemikule (see on tänapäeval ka elektrofüsioloogiliste uuringutega tõestatud) ja nende järgi nimetatakse inimese värvinägemist kolmekomponendiliseks värvinägemiseks.

Inimese silm hakkab tajuma valgust 3-5 footoni valgusenergia mõjul. Väga nõrga valguse puhul värvitaju ei teki ja valgusele reageerivad vaid kepikesed. Värvitaju tekkeks peab valgusärritus olema teatud minimaalse intensiivsusega (0,1 cd/cm²) ja sellest allpool on võimalik ainult heleduse-tumeduse eristamine (illustreerivaks näiteks sobib hästi vanasõna "öösel on kõik kassid hallid").

Eri lainepikkusega valguslained kutsuvad võrkkestas esile erinevate pigmentrakkude reaktsiooni ja valgusenergia transformeerub elektrokeemilise protsessi tagajärjel närviimpulssideks. Võrkkesta bipolaar-, horisontaal-, amakriin- ja ganglionrakud formeerivad nägemisnärvi, kus on ligikaudu 1 miljon närvikiudu. Edasi liigub transformeerunud valgusenergia nägemisteedes, milleks on eelpool nimetatud multipolaarsete rakkude aksonid. Valguse energiat kandev biovool liigub kiirusega ligikaudu 100 m/s ja põhineb raku membraani valikulisel, peamiselt Na+ ja K+, aga ka Ca2+ ja Cl- ioonide läbilaskvusel. Nägemisteed lõpevad nägemiskulglatena koorealustes nägemiskeskustes, enamik ehk 80% neist vaheaju külgmises põlvikkehas, kuid osa kiude siseneb ka nägemiskühmu ja keskaju katteplaadi, nelikküngastiku ülakünkasse. Nägemisanalüsaatori tsentraalne osa algab subkortikaalsetest keskustest, kus närvikiud moodustavad kimbu – nägemisradiatsiooni ja suunduvad ajukoore kuklasagara mediaalossa, kannusvao piirkonnas asuvasse nägemiskeskusse. Seal asub optilise analüsaatori tsentraalne osa, kus toimub valgusärrituse kõrgem analüüs ja süntees ning kulgevad juhtteed teistesse keskustesse^[5].

Inimsilm eristab eri hinnangutel 1 kuni 10 miljonit värvivarjundit. Katsed on näidanud, et kõige paremini eristab inimsilm lainepikkuse muutumist spektri kollase ja tsüaansinise piirkonnas ja nende vahel, kõige halvemini punase algus- ja violetse lõpuosa. Keskmiselt on lainepikkuse muutus, mille puhul märkame värvitooni muutumist, 2 nanomeetrit. Personaalselt sõltub see värvieristusvõimest.

Värvide eristamist mõjutab

• valgus (täpsemalt selle spektraalne koostis)
• fokuseerimise teravus
• pindade ruumiline eraldatus
• värvinäidise suurus
• mitu värvikarakteristikut muutub (heledus, küllastus, toon)
• silma treenitus

Metameerseteks nimetatakse erineva spektraalse koostisega värve (see tähendab, ka erineva keemilise koostisega), mis tekitavad ühesuguse värvimulje. Metamerismi teke on tingitud erinevatest peegelduskõveratest. Spektrofotomeetriliste mõõtmisega võivad eri värvainete Lab-väärtused ühes valguses kattuda, teises erineda. Näiteid:

• Valgena võime tajuda nii ühtlast valgusspektrit kui kolme kitsa spektririba aditiivse liitumise tulemust
• Kaks värvi, mis paistavad samad päikesevalguses, võivad erineda siseruumi kunstvalguses (sisekujunduse-, tekstiili- ja moevaldkonnas tuntakse seda järelefekti saksakeelse nimetuse Abendfarbe 'õhtuvärv' all)

Metamerismi ilmingu vältimiseks tuleb kontrollmõõtmisi viia läbi paralleelselt eri valgusallikate all. Igapäevaelu näitena on tuntud tekstiilitootjate tava esitleda ostjale kangaid nii tehis- kui loomulikus valguses.

Tegemist on värvitaju iseärasusega tõlgendada täpselt samu värve eri kontekstis erinevatena. Värvikonstantsuse fenomeni illustreerimiseks on välja mõeldud erinevaid optilisi illusioone. Üks tuntumaid nendest on Edward Adelsoni malelaua-illusioon^[6].

Tajupsühholoogias tähendab vähim märgatav erinevus (inglise keeles just-noticeable-difference) suurust, mille võrra miski peab muutuma selleks, et muutus oleks märgatav^[7].

Ernst Heinrich Weberi 1843. aastal sõnastatud seadus sätestab, et vähima märgatava värvierinevuse taju on konstantses suhtes algstiimuliga (st füüsikalise suurusega).

Gustav Fechneri teooria, mis toetab Weberi seadust, kirjeldab seost füüsilise ärrituse suuruse ja sellele antava tajuhinnangu vahel. Füüsikalise suuruse (R) väärtuse ja sellele antava subjektiivse hinnangu (S) vahel kehtib logaritmiline sõltuvus S = c logR (c on konstant R_i/R_j, kus R_i ja R_j on kaks sama tõenäosusega eristatavat stiimulit).

Seadusest tuleb välja, et selleks, et vaataja tajuks aistingu tugevnemist aritmeetilises progressioonis, peab füüsiline ärritaja tugevnema geomeetrilises progressioonis. Seadust on kasutatud halltoonide ridade ja värvide heledusastmestike konstrueerimiseks põhimõttel, et vaataja tajuks üleminekuid võrdsetena.

adaptatsioon või adaptatsioon on silma kohanemine välise ärritajaga. Pidev ümberkohanemine on vältimatu, sest ümbritsevad valgusolud muutuvad pidevalt. Valgusolude muutumisel võib silm fotoopiliselt nägemiselt minna üle skotoopilisele nägemisele või vastupidi. Näiteid:

• Heades valgusoludes visuaalne tundlikkus langeb ja astudes päeval hämarasse ruumi toimub pimedusadaptatsioon. See kestab mitu minutit, et silm harjuks pimedusega ja visuaalne tundlikkus tõuseks (ganglionirakud hakkavad rohkem impulsse saama kepikestelt).
• Kehvades valgusoludes, näiteks õhtuhämaras, on visuaalne tundlikkus kõrge ja valguse äkilisel süttimisel oleme pimestatud. Valgusadaptatsioon kestab mõnikümmend sekundit, kuni visuaalne tundlikkus langeb päevanägemise tasemele (ganglionid hakkavad peamist infot saama kolvikestelt).

Kromaatiline adaptatsioon ehk värvikonstantsus on üks silma adaptatsiooni erivorme. See on inimese nägemisaparaadi omadus arvestada valguse muutumisega, et tajuda ümbritsevate objektide värve muutumatuna, tagamaks nende äratundmine ja orienteerumine keskkonnas. Silm peab jooksvalt võrdlema värve ja minimeerima valgusallika poolt tehtud muudatuse. Näide:

• Inimene näeb objekte päeva jooksul väga erinevas valguses, aga tajub neid oma värvi säilitavana. Fotoaparaat, millel pole kohanemismehhanismi, jäädvustab objektid eri valguses erinevate värvidega.

See on tšehhi anatoomi Jan Evangelista Purkyně kirjeldatud nägemisele omane tendents, mis tekib fotoopiliselt nägemiselt skotoopilisele nägemisele ülemineku mesoopilises vahefaasis. Nõrgas valguses nihkub silma tundlikkus spektri sinise otsa poole. See tähendab, et kui päevavalguses paistavad säravamad punased ja punakad toonid, siis hämaruses paistavad rohkem silma sinakad toonid.

• Trikromaasia
• Tetrakromaasia
• Youngi-Helmholtzi värvitaju teooria
• Heringi oponenttaju teooria
• Värvipimedus

• Värvitaju teooria. – Nägemisanalüsaator ja testimisvõimalused (TLÜ õppematerjal)
• Nägemismeel. – Pärnumaa KHK õppematerjal
• Nägemisprotsess. – Värviõpetuse teooria e-kursus, 2013
• Värvitaju teooriad. – Värviõpetuse teooria e-kursus, 2013
• Video: What is color? Colm Kelleher. TED-Ed lesson (inglise keeles)
• Video: How we see color. Colm Kelleher. TED-Ed lesson (inglise keeles)