Нове дослідження того, як люди сприймають різницю між кольорами, переосмислює теорію, вперше запропоновану майже 100 років тому фізиком Ервіном Шредінгером. Роксана Буджак, учений із Національної лабораторії Лос-Аламоса, очолила групу, яка застосувала геометрію для точного опису того, як ми сприймаємо відтінок, насиченість та яскравість. Їхні результати, представлені на великій конференції з науки про візуалізацію, підтверджують концепцію Шредінгера, показуючи, що ці основні колірні якості виникають із внутрішньої структури самої колірної системи.
"Ми дійшли висновку, що ці колірні якості не виникають із додаткових зовнішніх факторів, таких як культурний або набутий досвід, а відображають внутрішні властивості самої колірної метрики", - сказала Буджак. "Ця метрика геометрично кодує відстань між кольорами, що сприймаються, — тобто, наскільки різними здаються два кольори спостерігачеві".
Твердо визначивши ці перцептивні характеристики, дослідники заповнюють важливий недостатній компонент, який допомагає досягти початкової мети Шредінгера - створення самодостатньої моделі. У цій концепції відтінок, насиченість та яскравість визначалися б виключно геометрією та принципом найбільшої схожості кольорів.
Геометрія, що лежить в основі відтінку, насиченості та яскравості
Людський колірний зір залежить від трьох типів колбочкових клітин в оці, чутливих до червоного, синього та зеленого світла. Тому вчені репрезентують колір у трьох вимірах, відомих як колірні простори. У ХІХ столітті математик Бернхард Ріман припустив, що перцептивні простори можуть бути викривленими, а не плоскими. Розвиваючи цю ідею у 1920-х роках, Шредінгер описав відтінок, насиченість та яскравість, використовуючи математичну систему вимірювань у рамках цієї викривленої структури.
Протягом десятиліть визначення Шредінгера формували наукове розуміння кольору. Однак, розробляючи алгоритми для наукової візуалізації, команда Лос-Аламоса виявила слабкі місця в математичній основі моделі. Ці прогалини відкрили шлях до уточнення та зміцнення теорії.
Визначення нейтральної осі та виправлення теорії кольору
Ключовою проблемою стала нейтральна вісь - лінія сірих тонів, що йде від чорного до білого. Визначення Шредінгера засновані на тому, як кольори розташовуються щодо цієї осі, проте він ніколи не визначав її математично. Без цього визначення структура моделі позбавлена формального обґрунтування: без певної нейтральної осі конструкція формально не визначена.
Одним із найважливіших досягнень команди стало встановлення нейтральної осі виключно на основі геометрії колірної метрики. Для цього потрібно було вийти за рамки традиційної ріманової моделі, що стало значним кроком уперед у математиці, яка використовується в науці візуалізації.
Дослідники виправили дві додаткові проблеми. Вони розглянули ефект Безольда-Брюке, у якому збільшення яскравості може призвести до зміни кольору. Замість припущення, що кольори змінюються за прямими лініями, вони вирахували найкоротший шлях у геометричному просторі. Аналогічний підхід до пошуку найкоротшого шляху в нерімановому просторі допоміг пояснити ефект віддачі у сприйнятті кольору, коли зростальні відмінності між кольорами згодом стають менш помітними.
Розвиток науки візуалізації та її застосування у реальному світі
Робота, представлена на конференції Eurographics з візуалізації, є кульмінацією ширшого проєкту щодо сприйняття кольору, результатом якого також стала знакова стаття 2022 року у Працях Національної академії наук.
Точні моделі сприйняття кольору є життєво важливими для науки візуалізації, яка підтримує такі області, як фотографія та відео, а також передовий аналіз даних. Чітке та надійне моделювання кольору покращує інтерпретацію вченими складних наборів даних та створення симуляцій, у тому числі використовуваних у дослідженнях у галузі національної безпеки. Створивши більш міцну математичну основу кольору в нерімановому просторі, команда заклала фундамент майбутніх досягнень у технологіях візуалізації.
Джерела: Los Alamos National Laboratory
