Теорията за цветовете на Шрьодингер е коригирана след 100 години (видео)

Ваня Милева Последна промяна на 25 February 2026 в 00:00 1477 0

3D цветни криви

Кредит Los Alamos National Laboratory
Тази визуализация улавя 3D математическото пространство, използвано за картографиране на човешкото цветово възприятие. Ново математическо представяне установява, че линейните сегменти, представляващи разстоянието между много разделени цветове, не се сумират правилно, използвайки преди това приетата геометрия. Изследването противоречи на дългогодишните предположения и ще подобри редица практически приложения на теорията на цветовете.

Ново изследване на това как хората възприемат разликите между цветовете преоформя теория, предложена за първи път преди близо 100 години от физика Ервин Шрьодингер.

Роксана Буджак (Roxana Bujack), учен в Националната лаборатория в Лос Аламос, ръководи екип, който прилага геометрия, за да опише точно как възприемаме нюанса и наситеността. Техните открития, представени на голяма конференция за визуализация, затвърждават рамката на Шрьодингер, демонстрирайки, че тези основни цветови качества произтичат от вътрешната структура на самата цветова система.

"Заключението ни е, че тези цветови свойства не произтичат от допълнителни външни конструкции, като например културни или научени преживявания, а отразяват присъщите свойства на самата цветова метрика", обяснява Буджак. "Тази метрика геометрично кодира възприеманото цветово разстояние – т.е. как два различни цвята изглеждат за наблюдателя."

Чрез категоричното дефиниране на тези перцептивни характеристики, изследователите предоставят липсващия компонент, който помага за постигането на първоначалната цел на Шрьодингер за създаване на самостоятелен модел. В тази визия, оттенъкът и наситеността биха се определяли изцяло от геометрията и принципа за най-голямо цветово сходство.

Геометрията зад нюанса на цвета, неговата наситеност и колко е светъл

Човешкото цветно зрение зависи от три вида конусовидни клетки в окото, чувствителни към червена, синя и зелена светлина. Поради това учените представят цвета в три измерения, известни като цветови пространства. През 19-ти век математикът Бернхард Риман предлага перцептивните пространства да бъдат извити, а не плоски. Надграждайки тази идея през 20-те години на миналия век, Шрьодингер описва нюанса на цвета, неговата наситеност и колко е светъл, използвайки математическа система за измерване в рамките на тази извита рамка.

В продължение на десетилетия дефинициите на Шрьодингер са оформяли научното разбиране за цвета. Въпреки това, докато е разработвал алгоритми за научна визуализация, екипът от Лос Аламос открива слабости в математическата основа на модела. Тези пропуски разкриват възможността за усъвършенстване и укрепване на теорията.

Казано просто

Човешкото око има 3 конуса, които възприемат червена, зелена и синя светлина.

Ако искате да начертаете пълния континуум от цветове върху графика, това естествено води до избор на триизмерно пространство с червена ос x, синя ос y и зелена ос z.

Нека сега забравим, че са цветове, и просто да ги третираме като точки в пространството.

В нормално Риманово пространство (както ги третирахме досега), добавянето на точки се запазва.

С други думи 2 + 3 = 5.

В това ново цветово пространство обаче 2+3 е по-голямо от 5, така че се нуждаем от нови инструменти, за да опишем пространството точно.

Физически това означава от гледна точка на това как виждаме цветовете, че червено => бяло не се възприема като толкова голяма разлика, колкото червено => розово => бяло.

Екипът е вградил резултати от предишни експерименти в областта на цветознанието в цветовите пространства на CIERGB, показвайки, че повърхностите с еднакъв оттенък не се движат праволинейно към върха. Екипът е вградил резултати от предишни експерименти в областта на цветознанието в цветовите пространства на CIERGB, показвайки, че повърхностите с еднакъв оттенък не се движат праволинейно към върха. Кредит: Los Alamos National Laboratory

Дефиниране на неутралната ос и фиксиране на теорията на цветовете

Ключовият проблем е неутралната ос, линията от сиви тонове, която преминава от черно към бяло. Дефинициите на Шрьодингер разчитат на това как цветовете са разположени спрямо тази ос, но той никога не я е дефинирал математически. Без това определение, структурата на модела е лишена от формално основание: Без дефинирана неутрална ос, конструкцията е формално неопределена.

Едно от най-важните постижения на екипа е установяването на неутралната ос единствено въз основа на геометрията на цветната метрика. Постигането на това изисква излизане отвъд традиционната Риманова рамка, което отбелязва значителен напредък в математиката, използвана за науката за визуализацията.

Изследователите коригират и два допълнителни проблема. Те използват ефекта на Безолд-Брюке, при който увеличаването на яркостта може да накара цвета да изглежда сякаш се променя в оттенък. Вместо да приемат, че цветовете се променят по прави линии, авторите изчисляват най-краткия път в геометричното пространство. Същият подход за най-краткия път в нериманово пространство спомага да се отчете намаляващата възвръщаемост на цветното възприятие, където нарастващите разлики между цветовете стават по-малко забележими с течение на времето.

Малко пояснения

Всички сме много добре запознати с концепцията за евклидово пространство, като се има предвид, че живеем в нещо, което много прилича на него – ефектите от Специалната и Общата теория на относителността нямат голямо влияние в обичайните човешки мащаби. Разстоянията и линиите работят така, както интуитивно бихме очаквали, и всичко има смисъл.

Тогава многообразията са неща, които локално изглеждат като евклидово пространство. Повърхността на сфера, например, ако се увеличи достатъчно мащаба, изглежда плоска. Когато се разхождаме из нашите локални области, не е нужно да се тревожим за кривината на Земята и за това дали няма да стигнем там, където искаме.

Римановото многообразие е специален клас многообразия, при които концепциите за обичайната геометрия са почти напълно запазени. Все още имате кривина, но всички наши идеи за ъгли и дължини все още работят почти както се очаква. Това е (почти) това, което релативистичните модели на пространство-времето разглеждат.

Защо това е от значение за цветовото пространство?

Повечето хора са доста запознати с някои от простите компютърни представяния на цвета. RGB е много стандартно, HSV е може би малко по-структурирано спрямо начина, по който мислим за цвета. Но един специален клас цветови пространства са проектирани с цел да отразят как ние, хората, възприемаме цвета. Искаме нещата да се държат добре, по-специално малка възприемана разлика в цвета да представлява малка разлика в абстрактното цветово пространство. Компютърният RGB не удовлетворява това свойство, докато системи като CIE L*a*b* се доближават много до това.

Доста лесно е да се определи, че едно перцептивно еднородно цветово пространство не може да бъде евклидово, т.е. права линия (в смисъл на липса на промяна в посоката) или по-точно геодезична, няма да бъде права линия в обичайния смисъл на термина.

Тази статия обаче показва също, че перцептивното разстояние не се подчинява на геометричната интуиция. По-специално, дължините не винаги се сумират - хората са по-малко способни да отговорят на въпроса "кой от тези два цвята е по-различен от референтния", когато абсолютната разлика се увеличи. Това означава, че по същество малките перцептивни промени не се "сумират". И ако искаме нашето цветово пространство да отразява човешкото възприятие, то също не може да има това свойство дължините да се "сумират". И като такова, не може да бъде Риманово - което противоречи на това, което очевидно е било общоприето в областта.

Развитие на науката за визуализацията и приложенията ѝ в реалния свят

Работата, представена на конференцията за визуализация  Eurographics, представлява кулминацията на по-мащабен проект за възприятие на цветовете, който довежда и до забележителна публикация от 2022 г. в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Точните модели на цветово възприятие са жизненоважни за науката за визуализацията, която подкрепя области, вариращи от фотография и видео до усъвършенстван анализ на данни. Ясното и надеждно цветово моделиране подобрява начина, по който учените интерпретират сложни набори от данни и изграждат симулации, включително такива, използвани в изследванията на националната сигурност. Чрез установяването на по-здрава математическа основа за цвета в нериманово пространство, екипът поставя основите за бъдещ напредък в технологиите за визуализация.

Справка:

  1. Roxana Bujack, Emily N. Stark, Terece L. Turton, Jonah M. Miller, David H. Rogers. The Geometry of Color in the Light of a Non‐Riemannian Space. Computer Graphics Forum, 2025; 44 (3) DOI: 10.1111/cgf.70136
  2. Roxana Bujack, Emily Teti, Jonah Miller, Elektra Caffrey, Terece L. Turton. The non-Riemannian nature of perceptual color space. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (18) DOI: 10.1073/pnas.2119753119

Източник: Research formalizes definitions essential to understanding color perception, Los Alamos National Laboratory

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Човекът

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !