Model oka

Wszystkie modele barw zaczynają się w oku. To, że barwę opisuje się trzema liczbami, nie wynika z fizyki światła, tylko z budowy siatkówki: mamy trzy rodzaje komórek wrażliwych na barwę.

Siatkówka

Światło przechodzi przez rogówkę, soczewkę i ciało szkliste, a obraz powstaje na siatkówce, cienkiej warstwie tkanki nerwowej z tyłu oka. Są w niej dwa rodzaje fotoreceptorów:

• pręciki, około 120 milionów: bardzo czułe, działają przy słabym świetle, ale nie rozróżniają barw,
• czopki, około 6 milionów: potrzebują więcej światła i odpowiadają za widzenie barw i ostrość.

Czopki skupiają się w dołku środkowym plamki żółtej, małym obszarze na osi wzroku, który obejmuje kilka stopni pola widzenia. Dlatego obserwator standardowy CIE z 1931 roku dotyczy pola 2° (zob. CIE XYZ).

Trzy rodzaje czopków

Czopki różnią się barwnikiem światłoczułym, a więc tym, na jakie długości fal reagują najmocniej:

Krzywe czułości M i L bardzo na siebie zachodzą. Nazywanie czopków "czerwonymi, zielonymi i niebieskimi" jest więc dużym uproszczeniem: czopek L reaguje najmocniej na żółtozielone światło, a czerwień rozpoznajemy po tym, że pobudza L znacznie mocniej niż M.

Każdy czopek przekazuje tylko jedną informację: jak mocno został pobudzony. Nie wie, jaka długość fali to spowodowała. Dlatego różne widma mogą dawać tę samą barwę (metameryzm), a trzy dobrze dobrane światła RGB wystarczą, żeby udawać większość barw.

Kanały przeciwstawne

Sygnały z czopków nie trafiają do mózgu osobno. Już w siatkówce są łączone w trzy kanały:

To wyjaśnia, dlaczego nie widzimy barwy "czerwonozielonej" ani "żółtoniebieskiej", co zauważył Ewald Hering (zob. historia). Ten sam podział ma CIELAB: L* to jasność, a* oś czerwień-zieleń, b* oś żółć-błękit. Także YUV w telewizji rozdziela jasność od dwóch składowych barwy, bo oko jest dużo czulsze na szczegóły jasności niż barwy.

Czułość na jasność

W widzeniu dziennym oko jest najczulsze na światło o długości około 555 nm (żółtozielone). Krzywa tej czułości, V(λ), to funkcja ȳ(λ) w CIE XYZ, a więc podstawa luminancji Y. Dlatego w sRGB zieleń wnosi do luminancji ponad 71%, a błękit nieco ponad 7%.

O zmierzchu, gdy działają głównie pręciki, maksimum przesuwa się do około 507 nm. Czerwienie ciemnieją szybciej niż błękity: to tzw. efekt Purkiniego.

Zaburzenia widzenia barw

Gdy jeden rodzaj czopków działa nieprawidłowo albo go brak, przestrzeń barw zmniejsza się do mniej niż trzech wymiarów. Zaburzenia czerwono-zielone (dotyczące czopków L albo M) ma około 8% mężczyzn i około 0,5% kobiet pochodzenia europejskiego, bo geny tych barwników leżą na chromosomie X. Zaburzenia związane z czopkami S są rzadkie.

Przy projektowaniu wykresów i interfejsów warto nie przekazywać informacji samą parą czerwień-zieleń. Bezpieczniej różnicować także jasność (L*) albo kształt i opis.