Apie fotometriją arba kur meluoja NASA?

Ar žinote, kad visos gražios kosmoso nuotraukos, kurias esat matę internete, pas kolegą ant darbstalio arba tiesiog žurnale, yra netikros? Ar esate pagalvojęs, kad mokslininkai irgi gali „gudraut“ vardan viešųjų ryšių? Ne? Nieko baisaus! Žmogus mėgsta pagrąžinti, o mokslininkai irgi žmonės. Plius, pinigus mokslui skirsto irgi žmonės.


Šis įrašas brendo gana ilgai. Viskas prasidėjo dar tais laikais, kuomet aš buvau Vilniaus Universiteto Fizikos fakulteto studentas. Laikai buvo sunkūs ir man teko dirbti kopijavimo centre Vienuolio g. Vilniuje. Negalėdamas lankytis paskaitose, aš skaičiau vadovėlius darbe, namuose vakarais, sėdėjau iki išnaktų su namų darbais, o iš darbo pabėgdavau tik dėl laboratorinio darbo, kur privalėjau būt fiziškai. Vieni dėstytojai buvo supratingi, kiti mažiau supratingi. Aš nelankiau optikos paskaitų, bet aš buvau pasiėmęs iš bibliotekos bent 5 Optikos vadovėlius, kurios skaičiau vakarais po darbo.

Kas man visų pirma krito į akis, buvo vadovėlių skyriai, kuriuos dėstytojai nedėstė. Vienas iš tokių buvo „Fotometrija“. Man, 19 metų vaikinui, būtent šis skyrius visose optikos vadovėliuose pasirodė įdomiausias ir nuo tų laikų tapo mano hobiu. Kas yra fotometrija? Tai yra mokslas apie tai, kaip susiet tikslią optiką ir netikslų žmogų. Kaip nuo šaltų fizikinių vienetų pereiti prie šiltos malonios lemputės šviesos žiemos vakarais. Tai mokslas apie tai, kodėl vienos lemputės mums šaltai šviečia, kodėl žvakės mums yra šiltos ir malonios. Ši optikos dalis nagrinėja žmogaus sąveiką su šviesa, tiksliau jos fizikinę dalį.

Akies tinklainėje randame pagaliukus (angl. rods) ir kolbutes (angl. cones)
Akies tinklainėje randame pagaliukus (angl. rods) ir kolbutes (angl. cones)

Visų pirma, mūsų akies tinklainė yra mozaika, sudaryta iš dvejų tipų fotoreceptorių – stiebelių (lazdelės) ir kugėlių (kolbėlių). Kolbėlės yra mūsų spalvos regėjimas, o stiebeliai yra mūsų juodai-balta rega.  Kolbėlės labiausiai susitelkusios ties tinklainės centru – sritimi vadinama fovea arba vidurio duobutė.

Spalvai jautrių ląstelių daugiausia akies tinklainės centre, o juodai baltai matančiųjų - periferijoje
Spalvai jautrių ląstelių daugiausia akies tinklainės centre, o juodai baltai matančiųjų – periferijoje

Maksimali kolbėlių koncentracija yra apytiksliai 180 000 į kvadratinį milimetrą centre ir sparčiai mažėja už vidurio duobutės ribų, kur jų tėra apie 4 000 į kvadratinį milimetrą. Dėl šios priežasties mūsų centrinis regos laukas mato spalvas, o periferinis yra blankesnis. Tačiau lazdelės  yra jautresnės, jų dėka mes matome tamsoje. Jų pliusas yra tas, kad jų reakcijos laikas yra mažesnis nei kolbėlių, tačiau jie yra tūkstančius kartų jautresni nei kolbėles. Stiebėliai yra neįtikėtinai geri judesių sensoriai. Jų dėka mes pastebime periferinius judesius. Jų dėka mes pastebim neryškius objektus regos periferijoje. Stiebėlių jautris paaiškina, kodėl pastebėję kažką savo periferiniu regos lauku, mes galime to nepamatyt atsukę galvą, nes tas pastebėtas šviesos šaltinis  kolbėlėms gali būt tiesiog per menko intensyvumo.

Žmogaus akies ląstelių jautrio spalvoms kreivė.
Žmogaus akies ląstelių jautrio spalvoms kreivė.

Stiebėliai yra atsakingi už žmogaus regą tamsoje, ji dar vadinama skotopinė (scotopic) rega, o už ją atsako pigmentas rodopsinas, labiausiai jautrus žaliems bangų ilgiams. Jei įdėmiai pažvelgt grafike į tamsiai žaliai nuspalvintą plotą, jis pasibaigia ties 600 nm. Tai reiškia, kad stiebėliai nemato raudonos šviesos! Būtent dėl šios priežasties lėktuvuose, laivuose, mašinose, visur kur žmogui gali tekt vairuoti naktį, informaciniai skydeliai yra apšviečiami raudonai. Toks apšvietimas leidžia kapitono akiai prisitaikyt prie tamsos ir tuo pačiu matyt prietaisus.

Žmogaus akis turi trijų skirtingų tipų kolbutes, kurios yra jautrios skirtingoms spalvoms.
Žmogaus akis turi trijų skirtingų tipų kolbutes, kurios yra jautrios skirtingoms spalvoms.

Žmogaus akies kolbėlėse randami trijų tipų fotopigmentai, atsakingi už spalvinę regą:

  • trumpujų bangų arba S kolbėlių su fotopigmentu labiausiai jautriu „žydrai violetiniems“ bangų ilgiams apie 445 nm,
  • vidutinių bangų arba M kolbėlių su fotopigmentu labiausiai jautriu „žaliems“ bangų ilgiams apie 540 nm,
  • ilgesnių vidutinių bangų arba L kolbėlių su fotopigmentu labiausiai jautriu „žalsvai geltoniems“ bangų ilgiams apie 565 nm.

Daugiausia mes turime L tipo kolbėlių (apie 63-64%), o antroje vietoje yra M tipo kolbėlės – jų mes turime apie 31-33%.  Jautriausios yra S tipo kolbėlės, tačiau jų yra labai mažai (apie 4-6% visų kolbėlių) ir jos yra vidurio duobutės kraštuose. Dėl šios priežasties žmonėms sunkiausia yra pastebėt ryškius mėlynos (žydros) šviesos šaltinius. Mūsų protas kažkiek bando koreguoti šią situaciją pastiprindamas žydros spalvos signalą, tačiau žydros spalvos vaizdas visada mums atrodys labiau išblukęs nei kitų spalvų. Visų pirma, geriausia skyra yra tuomet, kuomet šviesa apšviečia retinos vidurio duobutę, o S tipo kolbėlės yra šios srities kraštuose. Antras efektas yra susijęs su tuom, kad akies lęšiuko lūžio rodiklis mėlynai spalvai yra kitoks negu žaliai ir geltonai. Dėl šios priežasties, mes negalime vienu metu sufokusuoti vaizdą į skirtingų spalvų objektus.

Žmogaus akiai mėlynos spalvos linija atrodys beveik trečdaliu plonesnė negu kitos gyvsidabrio garų spektro linijos.
Žmogaus akiai mėlynos spalvos linija atrodys beveik trečdaliu plonesnė negu kitos gyvsidabrio garų spektro linijos.

Geriausias būdas pademonstruoti  tai studentams yra paimt įkaitinto gyvsidabrio garų lempą. Garų spektras turės trys ryškias linijas – žydrą, žalią ir geltonai raudoną. Paėmę trejetą filtrų, mes galime panaikinti iš šviesos šaltinio dvi spalvas, palikdami trečią ir prašydami studentus įvertinti linijų plotį ir/ar jų ryškumą. Tuo pačiu eksperimentatorius naudoja kontrolinį prietaisą – fotoaparatą arba vaizdo kamerą, kurie nepriklausomai nuo studentų išsaugo gaunamą juodai baltą vaizdą. Atlikus eksperimentą, paaiškėja, kad studentams mėlynos spalvos linija buvo beveik trečdaliu plonesnė negu kitų spalvų linijos. Kontrolinis matavimas fotoaparatu gi parodo priešingai, kad mėlyną linija kaip tik buvo storiausia iš visų trijų (ši linija gyvsidabrio garuose yra stipresnė).

Radiometriniai ir fotometriniai dydžiai.
Radiometriniai ir fotometriniai dydžiai.

Jei vis dar tebeskaitote, turėtų jau kilti mintis, kad žmogaus akies fizika yra gana sudėtingas ir painus mokslas. Ir busit velniškai teisūs. Fizikoje kalbama apie dvi optikos mokslo sritis: radiometriją ir fotometriją. Radiometrija tai yra šviesos, nuo radijo bangų iki Rentgeno spindulių, matavimas naudojant nepriklausomą teisėją – fizikinį prietaisą. Jei perkate lemputę ir ten parašyta vatai, tai yra radiometrinis vienetas. Fotometrija yra mokslas apie šviesos matavimą, kurį apibrėžiame kaip matavimą žmogaus akies pagalba. Šią optikos dalį domina tik tos šviesos bangos, kurias mato mūsų akis. Tai yra bangos tarp 360 ir 830 nm. Kitaip tariant, fotometrijoje naudojami radiometriniai prietaisai, kurių atsakas į šviesą yra toks pat kaip žmogaus akies atsakas. Ir, jei jus kurs nors aprašyme sutinkate  tokius vienetus kaip liumenas, liuksas, kandela ir dar visa krūva egzotinių, tuomet matote fotometrinius vienetus.

Saulės spinduliotės spektras išmatuotuotas fotometriniu matavimu ir radiometriniu matavimu.
Saulės spinduliuotės spektras išmatuotas fotometriniu matavimu ir radiometriniu matavimu.

Kodėl tai yra taip svarbu? Matote, mūsų akis yra jautriausia žaliai spalvai. Jei mes paimsime trys vienodo galingumo vatais lemputes: žalią, mėlyną ir raudoną, būtent žalia mums atrodys ryškiausia. Po jos seks raudoną, ji mums atrodys bent porą kartų blankesnė, blankiausia mums atrodys būtent mėlynoji. Jei mes norėsime tai pakoreguoti, mes turime paimt galingesnį mėlynos ir raudonos spalvos apšvietimą. Jei mes norime parduot mėlynos spalvos megztinius, mums prireiks daugiau efektyvesnių ir geresnių dažų negu žalios spalvos.  Skirtumas tarp radiometrinio (arba tikslaus) matavimo ir fotometrinio (arba žmogiškojo) geriausiai matosi šiame paveiksliuke.  Dienos šviesos radiometrinis maksimumas yra ties mėlynais bangos ilgiais, o fotometrinis maksimumas yra ties žaliais bangos ilgiais.

Šviesos šaltinių efektyvumas ofiso apšvietimui.
Šviesos šaltinių efektyvumas ofiso apšvietimui.

Praktiniu požiūriu fotometrija mums reikalinga dėl vienintelio dalyko – apšvietimo. Viskas, kas susiję su apšvietimo efektyvumu bei ergonomika, yra fotometrijos sritis. Tam tikslui įvedamas toks parametras, kaip šviesos šaltinio efektyvumas. Imamas šaltinio spektras ir padauginamas su fotoptine kreive, rezultatas integruojamas per visus bangos ilgius ir palyginamas su tuo pačiu veiksmu, kuomet spektrus nesudauginame, o imame vien šaltinio spektrą. Kitaip tariant, kuo arčiau šaltinio spektras mūsų akies jautrio kreivei, tuo efektyvesnis energetiniu požiūriu yra šaltinis. Ir nors Saulės šviesos efektyvumas yra tik 12%,  ji yra nepaprastai efektyvi, jei mes ją lygintume su žvakėmis (0,04%), halogeninėmis lempomis (3,5%). Ir tik baltos šviesos diodai pasiekia beveik 22% efektyvumą.

Naujas Hubble paveiksliukas
Naujas Hubble paveiksliukas. Gražu. Bet melaginga.

Sekundei susimasčiau, ar yra žmonių, kurie skaitys šį įrašą, ir nežinos kas yra Hubble teleskopas? Žinau, kad bus žmonių, kuriems prireiks keleto puodelių kavos ir poros cigarečių, kol jie nusigaus iki šios įrašo vietos. Bet, manau, visi bus matę nepaprastai populiarias kosmines nuotraukas, kaip kad ši „Dievo piršto“ nuotrauka. Bet retas žino, kad atsidurk jis kosmose ir žiūrėk jis į tą patį tašką per galingiausią teleskopą, nieko panašaus į šį didingą vaizdą jis nepamatytų. Tiesa pasakius, vaizdas būtų gana neįdomus ir nykus. Ir taip būtų būtent dėl mūsų akies fizikos, o šiam nusivylimui paaiškint mums ir būtina fotometrija.

Ramu, tylu ir štai prieš gerą porą mėnesių NASA atnaujino savo teleskopo nuotraukų archyvą – dabar ten galima rast didesnės raiškos Photoshopo produktų. Ir kaip būna mūsų internetuose, ši naujiena tapo vos ne virusinė. Vat aš ir nesusilaukiau bei parašiau vieną komentarą vienoje sienoje: „Gaila, bet dažniausiai žmogus nesuvokia, jog tai fotošopas, o ne tikri Hubble vaizdai“.

Ir žinote ką? Likau nesuprastas, o reakcija  buvo visiškai ne tokia, kokios galvojau sulaukt. Beveik niekas nesuprato, kodėl aš kritikuoju tokias gražias nuotraukas. Sako, Orlovai, eik gal pas gydytoją, sveikatą pasitikrink, taigi tokios gražios ir tikroviškos nuotraukos! O tu čia su savo kritika. Sakau beveik, nes štai astronomas, dr. Kastytis Zubovas,  gan neblogai savo bloge aprašė reikalą.  Neblogai, bet ne visai tiksliai. Buvo pamiršta fotometrija.

Andromedos galaktika regimojoje šviesoje. Tikros spalvos ir nieko įdomaus.
Andromedos galaktika regimojoje šviesoje. Tikros spalvos ir nieko įdomaus.

Pradėti reiktų nuo to, kad Hubble turi virš 40 skirtingų kamerų, kurios daro juodai baltas nuotraukos. Tų nuotraukų prasmė yra radiometrinė, kadangi kiekviena nuotrauka padaroma vienai konkrečiai spalvai. O jei bangos ilgis guli už žmogaus akies jautrumo ribų, tuomet spalvos sąvoka kaip ir nebeegzistuoja. Vienos nuotraukos daromos infraraudonojoje srityje, kitos – ultravioletinėje. Ir visur pilkumo laipsnis atitinka intensyvumą vatais.

Fotošopas gerokai pagerina Andromedos galaktikos prekinę išvaizdą. Dabar net aš noriu įsigyt atviruką.
Fotošopas gerokai pagerina Andromedos galaktikos prekinę išvaizdą. Dabar net aš noriu įsigyt atviruką.

Nekalbu apie tai, kad nuotraukas galime daryt ir radijo bangų ruože ir Rentgeno spindulių. Ir visom šioms spalvų neturėjusioms nuotraukoms galima suteikt spalvas. Ir būtent čia atsiranda toks svarbus klausimas: o kokias spalvas?

Visų pirma, Hubble nuotrauką padarė naudodamas 3 filtrus:

  1. Hα, vandenilio filtras – tai raudona spalva, bangos ilgis 656,3nm
  2. O-III, deguonies filtras – tai žalia spalva, bangos ilgis  500,7 nm
  3. S-II, sieros filtras – tai vėl raudona spalva, bangos ilgis 672,4 nm
Iš tikrų spalvų NASA pasigamina tokias, kokias nori.
Iš tikrų spalvų NASA pasigamina tokias, kokias nori.

Matome, kad dvi spalvos yra raudonos. Tačiau ką daro NASA su Hubble juodai baltomis nuotraukomis? Žalia spalva virsta mėlyna, vandenilio spalva virsta žalia spalva, ir tik sieros filtro juodai balta nuotrauka lieka raudona. Dar daugiau, pamenate, esu kalbėjęs apie žmogaus atsaką raudonai, žaliai ir mėlynai spalvoms? Jei juodai baltos nuotraukos pirmoje eilutėje atrodo mums vienodai ryškios, mėlynos spalvos nuotrauka atrodo mums gerokai blankesnė. Logiška būtų prieš sudedant spalvas tai pakoreguoti? Pagal fotoptinę kreivę tam reiktų paryškint mėlyną nuotrauką keturis-penkis kartus, o raudoną – bent porą kartų. Tačiau tuomet nuotrauka prarastų savo žavų žalsvą foną. Ir NASA to tikrai nedaro. Niekaip nėra atsižvelgiama į mūsų akies jautrį. Ir, galu gale, kam tai įdomu? Kam tie žaidimai su intensyvumo lygiais?

Rosetos ūkas, NASA ir Hubble versija.
Rosetos ūkas, NASA ir Hubble versija.
Rosetos ūkas, Canada-France-Hawaii Teleskopo versija.
Rosetos ūkas, Canada-France-Hawaii Teleskopo versija.

Iš kitos pusės egzistuoja ir kita spalvų priskyrimo schema, kuria naudoja kita mokslinė laboratorija (Canada-France-Hawaii teleskopas). Šioje schemoje pirma nuotrauka lieka žalia, tačiau trečia nuotrauka tampa mėlyna. Jei mes palygintume NASA ir to kito teleskopo nuotraukas, štai ką mes gautume (žr. aukščiau).

Rosetos ūkas toks, kokį jį matytų mūsų akis. Tokie atvirukai būtų mažiau populiarūs.
Rosetos ūkas toks, kokį jį matytų mūsų akis. Tokie atvirukai būtų mažiau populiarūs.

Galite paklaust, o kaip tas Rosetos ūkas iš tikrųjų atrodo? Be jokių žaidimų su spalvomis? Atsakau į klausimą. Štai ką matytų žmogaus akis. Na, tokie atvirukai dabartiniame pasaulyje sunkiai konkuruotų. Blanku ir nuobodu.

Psichologinių spalvų paletė.
Psichologinių spalvų paletė.

Nepamirškite, jog žaidimų su spalvomis gali būt dar įdomesnių. Be to, kad kaitaliot spalvas ir keist intensyvumo lygius, mes dar galime pasiimt kitą spalvų paletę. Kodėl būtent raudona, žalia ir mėlyna? Juk dar yra CMYK paletė!  O kur menininkų mėgstama RYB paletė? O kur psichologinių spalvų paletė? Nekalbu apie kitas egzotiškas spalvų schemas!

Apšvietimas daro stiprią įtaką spalvų suvokimui.
Apšvietimas daro stiprią įtaką spalvų suvokimui.

Įrašo pabaigai noriu dar priminti, kad skirtignai maišydami spalvas, mes pamirštame ir apie psichologinius efektus. Mūsų smegenys automatiškai palygina gretimai esančius mėlynos ir raudonos spalvos pikselius paveiksliuke su mėlynos ir raudonos spalvos santykiu apšvietime arba paveiksliuko fone. Būtent todėl mes nustembame, kuomet atspausdinę nuotrauką, nuotrauka vizualiai atrodo visai kitaip, negu mes tikėjomes ir negu mes matėm kompiuterio ekrane. Priklausomai nuo apšvietimo, ir vidinės kompozicijos nuotrauka gali mums atrodyti „neteisinga“, „nejaukia“.

Jei turite noro pasižaist su astronominiais paveiksliukais ir pasižiūrėt, kaip kas atrodys Fotošope, reikiamus įrankius rast galima čia.

5 komentarai

  1. Labai įdomus straipsnis. Rekomenduočiau vartoti kartu su cituojamu Konstanta42 straipsniu kaip papildymą.

    Deja, kai kurios smulkmenos gadina skaitymo džiaugsmą. Nebaksnosiu į nedideles gramatines klaidas 😉 bet akies dalių ir receptorių pavadinimai bet kam, kas mokėsi biologijos, mažina teksto suprantamumą, kadangi neaišku, apie ką rašoma. Lietuviški terminai yra ir vikipedijoje, turėtų būti ir VLKK Terminų banke, nereikėtų galvoti kažkokių naujų vertimų.

    Dar klausimas:
    Fotometrija yra mokslas apie šviesos matavimą, kurį apibrėžiame kaip matavimą žmogaus akies pagalba. Šią optikos dalį domina tik tos šviesos bangos, kurias mato mūsų akis. Tai yra bangos tarp 360 ir 830 nm. Kitaip tariant, radiometrijoje naudojami prietaisai, kurių atsakas į šviesą yra toks pat kaip žmogaus akies atsakas. Ir, jei jus kurs nors aprašyme sutinkate tokius vienetus kaip liumenas, liuksas, kandela ir dar visa krūva egzotinių, tuomet matote fotometrinius vienetus.

    Tai tie prietaisai su atsaku, panašiu į žmogaus akį, yra radiometrijoje ar fotometrijoje?

    1. Sveiki, laikui bėgant klaidas išnaikinu ir išnaikinsiu. Tai, ką klausiat, yra typo. Turėtų būt fotometrijoje.

  2. Labai įdomu, ypač dalis apie akies jautrumą mėlynai spalvai. Prisiminiau neseną straipsnį, kad ši spalva nesutinkama senovės kinų, hebrajų ar graikų raštuoe ir kad darant mini eksperimentą – spalvų atpažinimo testą – vienos gentės atstovė nesugebėjo pasakyt kuri iš spalvų mėlyna, tačiau lengvai atpažino įvairius, mums vienodai atrodančius, žalios atspalvius. Šaltinis: http://uk.businessinsider.com/what-is-blue-and-how-do-we-see-color-2015-2?r=US
    Įdomu ar žmogui su mėlyna spalva realybėje praktiškai nesusiduriant smegenys tuo labiau negali jos signalo pastiprinti, dėl to ir gaunasi straipsnyje išvardintos keistenybės?

  3. Galima dar paminėti natrio garų lempas ir kodėl jos buvo naudojamos gatvių apšvietimui. Siauros linijos arti arti akies jautrio spektro maksimumo duoda didelį našumą, bet labai prastą spalvinę atgavą.

  4. Na negalima visiškai sakyti, kad netikros ar falsifikatas, su fotoshopu nesamų žvaigždžių ar ateivių erdvėlaivių nedapiešia, tiesiog gautų duomenų interpretavimas spalvomis:D nes žmogus savo akimis mato labai jau siaurą spektro dalį, o ta nematoma dalis neša daug daugiau įdomios informacijos negu ta matoma, tai negi ją reikia nurašyt ir sakyk, kad jos nėra.

    na ir taip, tai paveiksliukas masėms, tad ir parenkamos spalvos kad atrodytų gražiai

    o rimti žmonės, kurie tuo užsiima gautus duomenis, jau ir nusi spalvina kaip jiems patinka, priklausomai ką tuo metu nori pamatyti,

Parašykite komentarą