Недавнее исследование, проведенное Национальной лабораторией Лос-Аламоса в США, утверждает, что разрешило ошибочную теорию восприятия цвета, предложенную физиком Эрвином Шредингером почти столетие назад, предоставив полное математическое описание геометрической природы того, как люди воспринимают цвет. Исследовательская группа использовала геометрические методы для описания восприятия человеческим глазом оттенка, насыщенности и яркости, доказав, что эти перцептивные измерения являются основными свойствами самой цветовой системы, а не результатом приобретенной культуры или опыта обучения.

Работа, проведенная ученым Лос-Аламосской национальной лаборатории Роксаной Бьюджак, была представлена ​​на крупных конференциях в области науки о визуализации и опубликована в журнале Computer Graphics Forum, заполнив ключевое недостающее звено в представлении Шрёдингера о полной цветовой модели. Исследование показывает, что в соответствии с новой математической основой оттенок, насыщенность и яркость могут быть полностью определены геометрическими отношениями между цветами, тем самым концептуально закрывая эту давно ожидаемую теоретическую систему.

Цветовое зрение человека зависит от трех типов колбочек сетчатки, чувствительных к красному, зеленому и синему диапазонам. Вместе они образуют трехмерное «цветовое пространство», которое используется для организации и различения различных цветов. Еще в XIX веке математик Риман предположил, что воспринимаемое человеком пространство может быть не «прямым», а иметь кривизну. В 1920-х годах Шрёдингер дал математические определения оттенка, насыщенности и светлоты в рамках римановой геометрии, заложив основу для последующей науки о цвете.

Однако в процессе разработки алгоритмов научной визуализации команда из Лос-Аламоса обнаружила, что теория Шредингера имеет очевидные недостатки в своей математической структуре, что затрудняет поддержку некоторых точных приложений. Это открытие побудило их провести систематическое размышление над традиционной моделью и, наконец, предложить пересмотренную и расширенную геометрическую структуру, чтобы сделать теорию более согласованной с измеренными данными.

В исследовании ключевой проблемой, которую необходимо преодолеть, является так называемая «нейтральная ось», то есть серая ось от черного к белому. Определение Шредингера сильно зависело от положения цвета вблизи этой оси, но он никогда не давал строгой математической характеристики этой оси, в результате чего вся модель не имела полной формальной основы. Прорыв команды из Лос-Аламоса заключался в том, что впервые нейтральная ось была определена строго математически исключительно на основе геометрических свойств самого измерения цвета, и в процессе этого она преодолела ограничения традиционной римановой схемы.

Исследователи встроили результаты большого количества предыдущих цветовых экспериментов в стандартные цветовые пространства, такие как CIERGB, и обнаружили, что люди субъективно чувствуют, что изохроматическая поверхность, образованная цветами «одного и того же оттенка», не движется по прямой линии к определенной вершине. Это показывает, что предположения о геометрической структуре цветового пространства в классической модели слишком идеальны, и для изображения реальных различий восприятия людей необходимы более сложные непрямолинейные структуры.

В процессе исправления теоретических ошибок команда также исправила две другие давние проблемы. Один из них связан с эффектом Безольда-Брюгге, при котором изменения интенсивности света меняют субъективное восприятие цвета людьми. Исследователи отказались от первоначального геометрического описания, основанного на прямых линиях, и вместо этого использовали «кратчайший путь» (геодезическую) в перцептивном цветовом пространстве для описания расстояния между цветами, тем самым более точно отражая сдвиг оттенка, который происходит при изменении яркости.

Та же идея «кратчайшего пути» была также введена в нериманово цветовое пространство для объяснения так называемого феномена «убывающей отдачи восприятия»: когда цветовая разница становится все больше и больше, чувствительность человеческого глаза к разнице больше не увеличивается линейно и даже имеет тенденцию к насыщению. Новая модель может предоставить количественные объяснения в рамках единой структуры, что сделает теорию более согласованной с результатами психофизических экспериментов.

Буджак сказал, что команда пришла к выводу, что традиционные атрибуты цвета, такие как оттенок, насыщенность и яркость, не являются ярлыками, прикрепленными к цветам и основанными на культурных традициях или опыте обучения, а являются внутренними свойствами, закодированными в геометрической структуре самого измерения цвета. По ее мнению, новая модель определяет «цветовое расстояние» геометрически, то есть насколько далеко друг от друга наблюдатели субъективно чувствуют два цвета. Это дает оригинальной идее Шредингера математический краеугольный камень, которого не было почти сто лет.

Исследование, представленное в этом году на конференции по визуализации Eurographics, является одним из первых шагов в долгосрочном проекте цветового зрения в Национальной лаборатории Лос-Аламоса. В рамках этого проекта еще в 2022 году в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) была опубликована важная статья. На этой основе эта работа еще больше продвигает моделирование нериманова цветового пространства и закладывает основу для более сложных исследований в области визуальных вычислений в будущем.

Считается, что более точная модель восприятия цвета имеет широкие перспективы применения во многих областях. От фото- и видеотехнологий до научных изображений и визуализации данных — точность цветовых моделей напрямую влияет на четкость и достоверность представления информации. Исследовательская группа отметила, что точное моделирование «цветового расстояния» в глазах человека поможет ученым и инженерам создавать более надежные визуальные конструкции и суждения при работе со сложными данными, тем самым помогая многим ключевым областям: от высокопроизводительного моделирования до науки национальной безопасности.

Статья «Геометрия цвета в свете нериманова пространства» была завершена Буджаком и ее коллегами Эмили Н. Старк, Тересой Л. Тертон, Джоной М. Миллером и Дэвидом Х. Роджерсом и будет официально опубликована в мае 2025 года. Проект получил финансирование от Программы исследований и разработок Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Программы передового моделирования и вычислений Национального управления ядерной безопасности.