Люди не всегда видят одни и те же цвета, даже на одном и том же экране

Фото из открытых источников

Современные телевизоры и лазерные проекторы могут отображать разные цвета для разных зрителей из-за естественных различий в цветовом зрении человека. Результаты исследования были опубликованы в журнале Optics Express.

Если установить один и тот же цветовой стандарт на двух экранах, они должны выглядеть идентично. В старых кинескопных телевизорах так и было почти для всех. Новая компьютерная модель человеческого зрения предполагает, что даже самые яркие экраны и проекторы, используемые сегодня, не оправдывают этого ожидания.

Разница заключается в особенностях зрения зрителя. Небольшие различия в цветовом восприятии у разных людей практически не имели значения на старых дисплеях. На экранах, которые формируют цвета из очень чистых, узких полос света, эти промежутки значительно увеличиваются. Изображение, настроенное для среднестатистического зрителя, может выглядеть искаженным для другого человека.

Эндрю Райдер и Эндрю Стокман создали эту модель в Институте офтальмологии Университетского колледжа Лондона в сотрудничестве с независимым исследователем Джоном Фритом. Каждый результат — это прогноз, и никто еще не проверял эти прогнозы на основе данных, полученных от людей, наблюдающих за реальными экранами.

Глаз различает цвета с помощью трех типов светочувствительных клеток, каждая из которых настроена на разную часть спектра. Экран смешивает красный, зеленый и синий свет в правильных пропорциях, и эти три типа клеток реагируют так, как если бы они видели реальный объект.

В старых дисплеях это достигалось с помощью широкого, мягкого свечения. В новых, от OLED- телевизоров и телевизоров с квантовыми точками до лазерных кинопроекторов, используются гораздо более узкие полосы пропускания, что позволяет отображать более широкий диапазон цветов.

Стандарт Rec. 2020, к которому стремятся многие в отрасли, предполагает наличие трех отдельных чистых длин волн света.

«Создатели фильмов и телешоу хотят, чтобы их работы выглядели одинаково на любом устройстве, на котором они просматриваются, что осложняется различиями в цветовом зрении людей и устаревшими методами калибровки», — сказал Райдер.

Клетки, воспринимающие цвет, не идентичны у разных людей. В большинстве случаев красно-зеленой цветовой слепоты один тип клеток смещается со своего обычного положения. Примерно у 1 из 12 мужчин наблюдается та или иная форма этого расстройства, по сравнению с примерно 1 из 200 женщин. Большинство из них по-прежнему различают цвета, просто по-другому.

Незначительные изменения наблюдаются у людей, которые прошли бы тест на цветовое зрение. Один из распространенных генетических вариантов, встречающийся примерно у 45% людей, сдвигает пиковую чувствительность клетки примерно на 4 нанометра. Хрусталик глаза тоже имеет значение. В нем содержится желтый пигмент, который отфильтровывает синий и фиолетовый свет, и этот пигмент накапливается с возрастом.

Команда Райдера внесла эти различия в модель, а затем протестировала ее на освещенности, измеренной с помощью 15 реальных типов дисплеев, а также идеализированного экрана Rec. 2020.

Для каждого дисплея исследователи рассчитали, насколько зрителю со смещенными цветовыми клетками придется скорректировать красный и зеленый цвета, чтобы увидеть белый цвет, характерный для обычного зрителя. На старом ламповом телевизоре человеку с сильно смещенным сигналом красного цвета потребуется примерно на 7% больше красного цвета по отношению к зеленому.

На одном лазерном проекторе тому же человеку потребовалось бы на 56% больше. Для сильно смещенной ячейки, воспринимающей зеленый цвет, разница составляла от примерно 11% на кинескопном телевизоре до 42% на другой модели лазерного проектора. 

Таким образом, чем шире цветовой диапазон экрана, тем сильнее изображение для одного зрителя может отличаться от изображения для другого. На созданных командой цветовых схемах для экрана Rec. 2020 зрители увидели бы розоватый или голубой оттенок на серых и телесных тонах.

Даже люди с нормальным цветовым зрением не были исключением. При сдвиге на 4 нанометра, характерном для населения в целом, некоторые лазерные проекторы создавали расхождения в балансе красного и зеленого цветов до 12%.

Один проектор старой модели выбился из общего ряда. Его ксеноновая лампа давала широкий световой поток, но фильтр отсекал желтую часть, и он показал результаты почти такие же плохие, как и идеализированный экран Rec. 2020.

Возраст изменил ситуацию иным образом. В хрусталике глаза 20-летнего человека содержится примерно на 70% меньше пигмента, чем в стандартном глазу 32-летнего человека, а в хрусталике 80-летнего — примерно вдвое больше.

Дневной свет содержит много глубокого фиолетового света, который поглощается стареющей линзой. Синий свет большинства экранов имеет немного большую длину волны, чем пропускает линза.

Таким образом, на экране, рассчитанном на средний глаз, пожилой человек увидит слишком много синего и красного, что придаст изображению фиолетовый оттенок. Молодой человек увидит более мягкий зеленовато-желтый оттенок.

Обычно мозг адаптируется к новому хрусталику, который желтеет в течение десятилетий. После операции по удалению катаракты, когда старый хрусталик внезапно заменяют новым, эта адаптация занимает недели или месяцы, и, как отмечают авторы, она может никогда полностью не завершиться.

Калибровка экранов осуществляется с помощью приборов, созданных на основе измерений цветопередачи, принятых Международной комиссией по освещению в 1931 году. Известно, что эти измерения неверны на коротких длинах волн.

«Для получения стабильных изображений также необходима хорошая калибровка дисплея, но большинство калибровочных устройств используют цветовые стандарты, разработанные около ста лет назад, которые не соответствуют нормальному цветовому зрению», — сказал Райдер.

Телевизоры с ксеноновыми лампами и проекторы имели примерно одинаковую погрешность, поэтому этот дефект проявлялся редко. «Иногда две ошибки приводят к правильному результату!» — написали авторы. Современным экранам так не повезло.

Согласно техническим требованиям к цифровым кинотеатрам, два источника света с одинаковыми размерами 1931 года должны выглядеть одинаково. Однако команда исследователей сочла это утверждение заведомо неверным для большинства современных дисплеев.

Самый главный открытый вопрос заключается в том, видят ли реальные зрители то, что предсказывает модель. Команда исследователей измерила изменения в интенсивности реакции клеток глаза, которые не всегда точно отражают то, как выглядит тот или иной цвет.

Обстановка тоже имеет значение. В темном кинотеатре, где единственным источником света является экран, глаз адаптируется и может уменьшить эти различия. При съемке бок о бок это невозможно, поэтому авторы предполагают, что проблема наиболее остро проявится в профессиональных студиях цветокоррекции.

Райдер отметил, что тот же подход можно использовать для сравнения энергоэффективного светодиодного освещения со старыми лампами накаливания.

Далее исследователи планируют проверить свои предсказания на людях. Одна из идей — дисплей с более чем тремя цветами подсветки, который можно было бы настроить для более широкого круга глаз. Код их модели уже доступен для запуска любому желающему.