Ученые завершили столетнюю теорию цвета Шрёдингера

Ученые наконец завершили столетнюю теорию цвета Шрёдингера. Credit: AI/ScienceDaily.com

Столетняя загадка о том, как человек воспринимает цвет, наконец-то решена благодаря математическому прорыву, который выявил скрытую геометрическую структуру цвета.

Идея Эрвина Шрёдингера, выдвинутая сто лет назад, получила значительное развитие благодаря новому исследованию того, как люди воспринимают различия между цветами. Команда под руководством ученого из Лос-Аламосской национальной лаборатории Роксаны Буяк использовала геометрию для создания математического определения цветового восприятия, основанного на оттенке, насыщенности и светлоте. Результаты, представленные на конференции по визуализации, формализуют модель цвета Шрёдингера и показывают, что эти знакомые цветовые качества встроены в саму структуру цветового восприятия.

«Мы пришли к выводу, что эти цветовые качества не возникают из дополнительных внешних конструктов, таких как культурный или приобретенный опыт, а отражают внутренние свойства самой цветовой метрики, — сказала Буяк. — Эта метрика геометрически кодирует воспринимаемое цветовое расстояние, то есть то, насколько разными два цвета кажутся наблюдателю».

Завершая цветовую головоломку Шрёдингера

Более строго определив эти перцептивные атрибуты, исследователи восполнили недостающий элемент в давнем видении Шрёдингера замкнутой математической модели цвета. Цель состояла в том, чтобы определить оттенок, насыщенность и светлоту, используя только геометрическое свойство наибольшего цветового сходства.

Человеческое цветовое зрение основано на трех типах колбочек, которые чувствительны к красному, синему и зеленому цветам. Это придает цветовым пространствам три измерения, позволяя ученым математически организовывать и сравнивать цвета.

В XIX веке математик Бернхард Риман предположил, что перцептивные цветовые пространства не плоские или прямые, а искривленные. В 1920-х годах Шрёдингер развил эту идею, определив оттенок, насыщенность и светлоту в рамках римановой модели цветового восприятия, используя метрику, описывающую, как люди воспринимают цветовые различия.

Восполнение столетнего математического пробела

Определения Шрёдингера формировали науку о цвете на протяжении примерно 100 лет. Однако, когда команда из Лос-Аламоса разрабатывала алгоритмы для научной визуализации, они обнаружили, что математика, лежащая в основе модели, имеет важные недостатки.

Самая большая проблема касалась нейтральной оси — линии серых тонов, идущей от черного к белому. Определения Шрёдингера для оттенка, насыщенности и светлоты зависят от того, где цвет находится относительно этой оси, однако он так и не дал формального определения самой оси.

Это упущение создало серьезный пробел. Без точного определения нейтральной оси вся конструкция была формально неполной. Самым важным достижением команды стало нахождение способа определить нейтральную ось, используя только геометрию цветовой метрики.

Чтобы добиться этого, исследователям пришлось выйти за рамки традиционной римановой модели. Этот сдвиг представляет собой крупное математическое достижение для науки о визуализации.

Лучшая модель изменения цвета

Команда также исправила две другие важные проблемы в старой модели.

Одна из них касалась эффекта Бецольда-Брюкке — явления, при котором изменение интенсивности света может заставить цвет казаться смещенным по оттенку. Исследователи решили эту проблему, используя кратчайший путь в своей геометрической модели цветового восприятия, а не полагаясь на простую прямую линию.

Они также использовали кратчайший путь в неримановом пространстве, чтобы учесть эффект убывающей отдачи в цветовом восприятии — еще один эффект, который не был полностью учтен в старом подходе.

Почему восприятие цвета имеет значение

Исследование было представлено на конференции Eurographics Conference on Visualization и основано на более широком проекте Лос-Аламоса по цветовосприятию. Этот проект также привел к публикации новаторской статьи 2022 года в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Более точная модель цветового восприятия может иметь широкое применение в областях, зависящих от точной цветопередачи, включая фотографию, видео, визуализацию и смежные технологии. Она также может улучшить способы создания и интерпретации визуальных данных учеными.

Научная визуализация играет важную роль в понимании сложной информации исследователями. Улучшенные цветовые модели могут поддерживать более эффективный анализ во многих областях, включая науки о национальной безопасности.

Работа команды теперь обеспечивает основу для будущего моделирования цвета в неримановом пространстве.

Источники: sciencedaily.com, Los Alamos National Laboratory