2. Яркостный и цветовой контрасты

2.1. Основные определения и закономерности

Цвет выбирается при цветовом оформлении в первую очередь в зависимости от назначения окрашиваемого предмета, ибо воздействие цвета на человека в конечном счете определяется самим предметом - цветоносителем. Указанное влияние происходит как отдельно взятым для окраски цветом, так и цветовым сочетанием. В значительной степени эти воздействия складываются под влиянием яркостных и цветовых контрастов.

Рабочий на производстве, оператор за пультом управления, машинист в локомотиве, пассажир в вагоне, читатель в библиотеке и т. д. в основном смотрят на предметы, за которыми они наблюдают, которыми они пользуются. Однако в ходе работы они невольно переводят взгляд с этого предмета на окружающий фон - стены, пол, элементы оборудования и т. п. При переводе взгляда с одной поверхности на другую, имеющие разный цветовой тон, чистоту и яркость, глаз человека должен переадаптироваться к новым условиям восприятия. Например, если между объектом наблюдения и фоном будет большой яркостный контраст, то каждый раз при переводе взгляда на более темную или светлую поверхность глаз должен приспосабливаться к новым условиям зрения, на что потребуется некоторое время.

Под объектом наблюдения или объектом различения понимается рассматриваемая поверхность, предмет, отдельная его часть, промежуток между двумя объектами, различающимися яркостью, или различаемый дефект (например, нить ткани, знак, пятно, трещина, риска, раковина или другие дефекты изделия, которые требуется различать в процессе работы).

Фон представляет собой поверхность, прилегающую непосредственно к объекту различения, или на которой он рассматривается.

Фон считается светлым при коэффициенте отражения поверхности от 0,4 и более, средним - от 0,2 до 0,4, темным - менее 0,2.

При изучении распределения яркости в пространстве используются такие понятия, как поле зрения и его зоны. Поле зрения ограничено формой глаз и лица. Оно может быть монокулярным при наблюдении одним глазом и бинокулярным при наблюдении обоими глазами. В общем виде это пространство, выраженное в угловой мере, в пределах которого рассматривается (наблюдается) объект при неподвижном положении головы и глаз (рис. 2.1) [18]. По отношению к линии зрения можно считать, что поле зрения распространяется в вертикальной плоскости (на белом поле) на 120° и в горизонтальной (на сером поле) - на 160°. В среднем для удобства поле зрения условно принимается круглым и равным телесному углу, соответствующему плоскому в 140° (рис. 2.2). В центре этого угла вокруг линии зрения или оптической оси находится узкая зона с углом около 1°, в которой наблюдается максимальная острота зрения¹. На сетчатке глаза она соответствует центральной ямке. Вне этой ограниченной зоны мы уже точно не различаем детали предмета, однако с достаточной легкостью замечаем движение, изменение освещенности, яркости и цвета.

¹ (Под остротой зрения (остротой различения) подразумевают величину, обратную минимальному угловому размеру наблюдаемого объекта, обеспечивающему вероятность различения более 0,5. Угловой размер объекта (обычно выраженный в минутах) равен тангенсу угла, образуемого линиями, проведенными из глаза наблюдателя к крайним точкам рассматриваемого объекта.)

Рис. 2.1. Поле зрения при наблюдении окружающей среды: 1 - обоими глазами; 2′ - левым глазом; 2″ - правым глазом; 3 - ограничение поля зрения носом, бровями и щеками

Принято различать три зоны поля зрения и среду [24] :

центральное поле (зрительное пятно) лежит внутри конуса с телесным углом в поле зрения, равным примерно 25° (см. рис. 2.2). Основание этого конуса - зрительное пятно и его ближайшее окружение;

окружение зрительного пятна лежит внутри конуса с углом в вершине 60°, т. е. по 30° в любую сторону от оптической оси. Эта условная зона основана на точном наблюдении падения остроты зрения до минимальной величины, не превышающей 1% на границе этих 30° по сравнению с остротой зрения на оптической оси (линии зрения);

Рис. 2.2. Схема деления поля зрения на зоны: А - граница поля зрения; Б - периферийное поле; В - среда

Рис. 2.3. Изменение адаптации глаза при перемещении взгляда по поверхности, освещенность которой изменяется от темного к светлому

периферийное поле (Б) расположено между границами окружения и полем зрения (А), в котором еще различаются движение и цвет, но не детали;

среда (В) определяется в виде всей остальной части пространства, находящейся за пределами поля зрения. Она важна потому, что глаз, перемещаясь, может охватить ее в какой-то момент работы целиком. В ней же глаз будет искать отдыха, когда устанет смотреть в определенную точку на оптической оси.

Приспособление глаза при изменении взгляда на поверхности разной яркости можно представить по рис. 2.3. В зависимости от яркости поля при перемене условий освещения в условиях адаптации глаза от темного к светлому диаметр зрачка d₃ уменьшается, а при перемене освещения от светлого к темному увеличивается. В нашем случае представляет интерес вопрос о скорости реакции размера зрачка в условиях адаптации глаза. На рис. 2.4 [25] приведены данные о скорости сужения зрачка при переходе из темноты к яркости L=318 кд/м² и о скорости его расширения при обратном переходе к темноте. При сужении зрачка для приведения его до устойчивого уровня потребовалось около 5 с, а для обратного его расширения после прекращения светового раздражения - около 3 мин.

Рис. 2.4. Изменение диаметра зрачка d, во времени при переходе от темноты к яркому свету и наоборот: 1 - расширение; 2 - сужение

Таким образом, если рабочий у станка или оператор у пульта будет лишь один раз в минуту переводить взгляд с темной поверхности на светлую (соответствующую по яркости), то за восьмичасовую смену будет потеряно около 40 мин только на приспособление глаз к резкой перемене яркости. При переводе взгляда со светлой поверхности на темную потребуется еще больше времени на приспособление глаза к этим условиям. Это одна сторона вопроса - потеря рабочего времени или снижение производительности труда. С другой стороны - постоянное напряжение и ослабление глазных мышц приводят к утомляемости их, что сказывается на физическом и психическом состоянии работающего, а это в свою очередь приводит к снижению работоспособности и внимания. Последнее особенно недопустимо для машинистов локомотивов и лиц, работающих за пультами управления, так как в итоге может привести к авариям. Поэтому нельзя допускать слишком большой разницы в яркостях между объектом наблюдения и фоном.

Следовательно, при выборе цвета необходимо учитывать допустимые контрасты между используемым цветом объекта и фоном.

Для ахроматических цветов различают только яркостный контраст, который показывает степень различения поверхностей объекта и фона по яркости. Для хроматических цветов различают цветовой контраст K_цв, который показывает степень различения сравниваемых поверхностей по их цветности K_ц, т. е. по цветовому тону и по чистоте, а также по яркости K_я, или, если учитывать только зрительное ощущение, в этом случае следует иметь в виду цветовую тональность и насыщенность, а также светлоту K_s. Опыт показывает, что восприятие цветности наиболее заметно по цветовому тону. Хорошо заметны яркостные соотношения цветов. Чем больше разница в коэффициентах отражения объекта различения и фона, тем больше видимое различие. Максимального эффекта в видимости элементов объекта можно достичь при использовании яркостного контраста совместно с цветовым.

Острота зрения зависит от яркости фона и контраста яркости объекта различения с фоном. С увеличением яркости фона до определенного значения повышается острота зрения (рис. 2.5) [25]. Последняя также повышается с увеличением яркостного контраста (рис. 2.6). Однако при яркости фона L_ф более 10 кд/м² острота зрения резко повышается до контраста, равного 0,2, затем рост остроты зрения в зависимости от контраста замедляется.

Рис. 2.5. Зависимость остроты зрения 1/α от яркости фона при постоянном яркостном контрасте

Рис. 2.6. Зависимость остроты зрения 1/α от яркостного контраста при постоянной яркости фона

Влияние яркостного контраста между объектом и фоном на функции зрения, а следовательно, и на производительность труда исключительно важно. На рис. 2.7 приведены кривые, которые показывают, что увеличение контраста с 0,3 до 0,9 при адаптации к освещенности 10 лк повышает возможность различения с 43 до 86%.

Рис. 2.7. Кривые, характеризующие работоспособность зрения в зависимости от условий адаптации и контраста

По кривой, приведенной на рис. 2.8, задаваясь величиной контраста (например, 0,8) и проводя горизонтальную линию через эту величину до пересечения с кривой, можно определить необходимую яркость объекта (9 кд/м²).

Рис. 2.8. Кривая для определения контраста между объектом и фоном при заданной яркости объекта с угловым размером 4′

Для оценки зрительного ощущения используется понятие светлота. Расчетная светлота для разных диапазонов изменения яркости [18] составляет при наблюдении:

ночью (L_ф<0,01 кд/м²)K_s=800L^0,5_i;

в сумерки (LФ=0,01÷10 кд/м²)

K_s=26+400(L^0,3_i-0,25);

днем (L_ф=10÷10^-4 кд/м²) Ks=780+600(L^0,2_i-1,05),

где K_s и L_i - соответственно светлота и яркость светящейся поверхности.

Таким образом, величина контраста должна определяться в каждом отдельном случае в зависимости от условий наблюдения.