Kodėl raudona, geltona, žalia ir mėlyna dominuoja regėjime

Pažiūrėkite į spalvų ratą akimirkai. Oranžinė atrodo kaip aiškus raudonos ir geltonos mišinys. Violetinė retai atrodo kaip raudonos ir mėlynos derinys. Kodėl raudona, geltona, žalia ir mėlyna mūsų vizualiniame pasaulyje užima kitokią reikšmę?

Spalvos gamtoje, spalvos akyje

Kalifornijos universiteto Berkeley mokslininkai ėmėsi atsakyti į šį klausimą sujungdami tris galvosūkių dalis: spalvų paletę, kuri iš tiesų pasitaiko natūraliose scenose, kaip trijų tipų konusų fotoreceptoriai žmogaus akyje reaguoja į šviesą, ir kaip smegenys galėtų efektyviai užkoduoti šiuos signalus.

Jų pradinė pozicija buvo empirinė. Komanda išanalizavo didelį, kalibruotą 503 natūralių vaizdų duomenų rinkinį. Jie simuliavo signalus, kuriuos ilgų, vidutinių ir trumpų bangų konusai generuotų stebėdami tas scenas. Iš to neatsirado vienalytis atspalvių miglotumas; spalvų erdvė gamtoje pasirodė netolygi. Kai kurių chromatinių diapazonų pasitaiko kur kas dažniau nei kitų, su koncentruotumu aplink tonus, atitinkančius tai, ką vadintume raudona, geltonai-žalia ir mėlyna.

Toks netolygus pasiskirstymas yra svarbus. Jei tam tikri spalvų deriniai aplinkoje yra dažni, jutimo sistema, pritaikyta juos veiksmingai atvaizduoti, naudos mažiau resursų ir išsaugos tikslumą ten, kur tai reikšminga.

Regėjimo matematika

Norėdami modeliuoti efektyvumą neuroniniame kodavime, tyrėjai panaudojo techniką, žinomą kaip retasis kodavimas. Idėja paprasta: aprašyti sudėtingus jutiminius signalus naudojant nedidelį kiekį statmenų komponentų. Retieji kodai yra taupūs. Jie leidžia smegenims apibūdinti platų signalų spektrą su ribotais, pakartotinai naudojamais elementais.

Taikant retąjį kodavimą konusų atsakams per visą vaizdų rinkinį, paaiškėjo įspūdingas rezultatas. Kompaktiškiausiai atvaizdui reikėjo šešių bazinių komponentų. Keturi iš jų atitiko spalvų ašis, sutampančias su raudona, geltona, žalia ir mėlyna. Likusieji du fiksavo šviesumo kraštutinumus, iš esmės juodą ir baltą. Iš šių kelių dalių modelis galėjo rekonstruoti platesnę gamtoje aptinkamą paletę.

Toks rezultatas pateikia intuityvų paaiškinimą Ewaldo Heringo devyniolikto amžiaus pastebėjimui, kad raudona, geltona, žalia ir mėlyna žmogaus suvokime elgiasi kaip unikalios arba elementarios spalvos. Kai vizualinė sistema suspaudžia natūralios spalvų statistikas į ribotą priedų rinkinį, keturi chromatinių komponentai pasirodo kaip natūralūs statybiniai blokai.

Priešinimosi mechanizmas

Kodėl raudona ir žalia, bei mėlyna ir geltona atrodo kaip priešingos? Retasis kodavimo modelis paaiškina ir tai. Modelyje su priešingomis ašimis suderinti komponentai aktyvuodamiesi slopina vienas kitą. Praktikoje aktyvacija link raudonos linkusi slopinti žalią komponentą ir atvirkščiai. Panašiai mėlyna ir geltona užima priešininkavimo kanalus.

Toks antagonistinis išsidėstymas leidžia vizualinei sistemai lengviau užkoduoti kontrastus, kurie aplinkoje yra reikšmingi. Tai taip pat paaiškina, kodėl retai suvokiame tiesioginį dviejų priešingų spalvų mišinį kaip tarpinį atspalvį; jos konkuruoja, o ne derinasi sklandžiai.

Ką tai reiškia neurobiologijai ir technologijoms

Neurobiologijos požiūriu, tyrimas sustiprina efektyvaus kodavimo perspektyvą: suvokimo aspektai, kurie anksčiau atrodė atsitiktiniai, gali kilti iš pasaulio statistinių dėsningumų ir smegenų, optimizuotų juos atvaizduoti. Nei šviesos fizinės savybės, nei pačios konusų jautrumo ypatybės pilnai nepaaiškina keturių elementarių atspalvių svarbos. Kai įtraukiamos natūralių scenų statistikos ir ekonominio neuroninio atvaizdavimo siekis, dalys susiderina.

Yra ir praktinių pasekmių. Supratimas, kodėl šios keturios ašys dominuoja, gali informuoti spalvų kodavimo schemas vaizdų apdorojime, natūralių scenų suspaudimo algoritmus bei ekranų ir kamerų dizainą, geriau atitinkantį žmogaus spalvų jautrumą. Kompiuterinio regėjimo sistemos, kurios mokosi iš natūralių spalvų pasiskirstymų, taip pat gali tapti atsparesnės priimdamos analogiškas retąsias reprezentacijas.

Eksperto įžvalga

„Šis radinys elegantiškai sieja tai, ką matome pasaulyje, su tuo, ką smegenys pasirenka atvaizduoti,“ sako Dr. Maya Srinivasan, vizualinė neurobiologė, tirianti jutiminį kodavimą. „Ne gamta mums primetė keturias spalvas; greičiau mūsų vizualinė sistema evoliucionavo arba vystėsi taip, kad aprašytų informatyviausias spalvų dimensijas naudojant kuo mažiau bitų. Toks taupumas sukuria suvokimo fenómenus, kuriuos Heringas pastebėjo prieš daugiau nei šimtmetį.“

Metodai ir ribotumai, kuriuos verta paminėti

Tyrimas priklauso nuo konkretaus vaizdų rinkinio ir modeliavimo pasirinkimų. 503 kalibruoti vaizdai suteikia aprėptį, bet aplinkos skiriasi – miesto scenos, povandeninės nuotraukos arba nežemiškos vietos pakeistų statistiką. Retasis kodavimas duoda interpretuojamą komponentų rinkinį, bet kitos efektyvaus kodavimo formulės galėtų atvesti prie skirtingų bazinių ašių. Vis dėlto modelio išvesties ir ilgalaikių psichofizinių pastebėjimų sutapimas suteikia šiai prieigai svorio.

Paskelbta žurnale Journal of the Optical Society of America A, ši studija sieja modernias skaičiavimo technikas su klasikine spalvų teorija. Ji neatmeta ankstesnių išvadų; ji jas peržiūri statistiniame ir algoritminiame kontekste.

Išvada

Suvokimas yra kompromisas tarp pasaulio turtingumo ir neuroninės įrangos ribų. Raudonos, geltonos, žalios ir mėlynos svarba žmogaus regėjime atrodo mažiau mistiška ir labiau pragmatiška: šie atspalviai tarnauja kaip efektyvūs statybiniai blokai spalvų, kurioms gamtoje teikiama didžiausia reikšmė, kodavimui. Kai smegenys turi suspausti milžinišką jutiminį kiekį į kompaktiškas reprezentacijas, tam tikros spalvų ašys natūraliai išsiskiria kaip pagrindinės.