Nieuw onderzoek zet 100 jaar begrip van kleurperceptie omver

Deze visualisatie legt de 3D-wiskundige ruimte vast die wordt gebruikt om de menselijke kleurperceptie in kaart te brengen. De nieuwe wiskundige weergave vindt dat lijnsegmenten die de afstand tussen ver uit elkaar liggende kleuren vertegenwoordigen, niet correct worden toegevoegd met behulp van eerder geaccepteerde geometrieën. Het onderzoek gaat in tegen oude veronderstellingen en zal een verscheidenheid aan praktische toepassingen van kleurentheorie verbeteren. Krediet: Los Alamos Nationaal Laboratorium

Een paradigmaverschuiving weg van de 3D-wiskundige beschrijving die door Schrödinger en anderen is ontwikkeld om te beschrijven hoe we kleur zien, kan leiden tot levendigere computerschermen, televisies, textiel, gedrukte materialen en meer.

Nieuw onderzoek corrigeert een kritieke fout in de wiskundige 3D-ruimte die is ontwikkeld door de Nobelprijswinnende natuurkundige Erwin Schrödinger en anderen om te beschrijven hoe uw ogen de ene kleur van de andere onderscheiden. Dit onjuiste model wordt al meer dan 100 jaar door wetenschappers en de industrie gebruikt. De studie heeft het potentieel om wetenschappelijke datavisualisaties te verbeteren, televisietoestellen te verbeteren en de textiel- en verfindustrie opnieuw te kalibreren.

“De veronderstelde vorm van kleurruimte vereist een paradigmaverschuiving”, zegt Roxana Bojak, een computerwetenschapper met een achtergrond in de wiskunde die wetenschappelijke visualisaties maakte in Los Alamos National Laboratory. Bujack is de hoofdauteur van een Los Alamos-teampaper over de wiskunde van kleurperceptie. Gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences.

“Ons onderzoek toont aan dat het huidige wiskundige model van hoe het oog kleurverschillen waarneemt onjuist is. Dit model werd voorgesteld door Bernhard Riemann en ontwikkeld door Hermann von Helmholtz en Erwin Schrödinger – allemaal reuzen in wiskunde en natuurkunde – en bewijzen dat er een fout is, is grotendeels een de droom van een wetenschapper.”

Modellering van menselijke kleurperceptie maakt de automatisering van beeldverwerking, computergraphics en visualisatietaken mogelijk.

Het Los Alamos-team corrigeert de wiskunde die wetenschappers, waaronder de Nobelprijswinnende natuurkundige Erwin Schrödinger, hebben gebruikt om te beschrijven hoe je oog de ene kleur van de andere onderscheidt.

“Ons oorspronkelijke idee was om algoritmen te ontwikkelen om kleurenkaarten voor datavisualisatie automatisch te verbeteren, zodat ze gemakkelijker te begrijpen en te interpreteren zijn”, zegt Bojak. Dus het onderzoeksteam was verrast toen ze ontdekten dat zij de eersten waren die ontdekten dat de langetermijntoepassing van Riemann’s geometrie, die het mogelijk maakt om rechte lijnen te generaliseren naar gebogen oppervlakken, niet werkte.

Een nauwkeurig wiskundig model van de waargenomen kleurruimte is nodig om industriestandaarden vast te stellen. De eerste pogingen maakten gebruik van Euclidische ruimten – de bekende meetkunde die op veel middelbare scholen wordt onderwezen. Later gebruikten meer geavanceerde modellen de Riemann-geometrie. Modellen tekenen rood, groen en blauw in 3D-ruimte. Dit zijn de kleuren die krachtig worden vastgelegd door de lichtdetecterende kegels op het netvlies, en niet verrassend: de kleuren die samenvloeien om alle RGB-afbeeldingen op een computerscherm te creëren.

In de studie, die psychologie, biologie en wiskunde combineert, ontdekten Bojak en haar collega’s dat het gebruik van Riemann-meetkunde de perceptie van grote kleurverschillen overdrijft. Dit komt omdat mensen begrijpen dat een groot kleurverschil kleiner is dan het bedrag dat je zou krijgen als je kleine kleurverschillen tussen twee ver uit elkaar liggende kleuren zou toevoegen.

De Riemanniaanse meetkunde kan dit effect niet verklaren.

“We hadden dit niet verwacht en we kennen de exacte geometrie van deze nieuwe kleurruimte nog niet”, zei Bujack. “We kunnen het misschien normaal bedenken, maar met een extra hydratatie- of gewichtsfunctie die een lange weg gaat, waardoor het korter wordt. Maar dat kunnen we nog niet bewijzen.”

Referentie: “The Non-Riemannian Nature of Perceptual Color Space” door Roxana Bojak, Emily Tate, Jonah Miller, Electra Caffrey en Teresh L. Turton, 29 april 2022 Hier beschikbaar Proceedings van de National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2119753119

Financiering: het laboratoriumgestuurde onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma van het Los Alamos National Laboratory.