Vědci po 100 letech rozluštili Schrödingerovu teorii barev: Jak skutečně vnímáme svět?

Vědci ve Spojených státech konečně doplnili chybějící matematické části stoleté teorie vnímání lidských barev teoretického fyzika Erwina Schrödingera, založené na jeho geometrickém modelu popisujícím, jak lidé vnímají barvy.

Ve 20. letech 20. století rakousko-irský vědec navrhl matematický model vnímání barev založený na vizuální odezvě. Naznačil, že celá škála lidsky viditelných barev by mohla být mapována jako trojrozměrný geometrický tvar definovaný odezvami čípkových buněk.

Nyní tým výzkumníků pod vedením Roxany Bujack, PhD, počítačové vědkyně z Los Alamos National Laboratory (LANL), použil pokročilou geometrii k tomu, aby ukázal, že sytost, odstín a jas nejsou formovány kulturou nebo zkušeností. Vědci dokončili Schrödingerův model a ukázali, že tyto atributy jsou přímo zabudovány do matematické struktury lidského zraku, a to nejen v oku pozorovatele.

„Docházíme k závěru, že tyto barevné kvality nevznikají z dodatečných vnějších konstruktů, jako jsou kulturní nebo naučené zkušenosti, ale odrážejí vnitřní vlastnosti samotné barevné metriky,“ uvedla Bujack. Dodala, že metrika popisuje barevné rozdíly jako měřitelné geometrické vzdálenosti.

Lidské vidění závisí na trichromacii, což znamená, že využívá tři typy čípkových buněk (fotoreceptorů) v sítnici – červené, zelené a modré – k detekci vlnových délek a produkci barevného vidění. V 19. století německý matematik Bernhard Riemann poprvé navrhl, že tyto percepční prostory nejsou rovné, ale zakřivené.

Ve 20. letech 20. století Schrödinger definoval percepční atributy odstínu, sytosti a jasu. Naznačil, že tyto kvality vyplývají z metriky vnímání barev v jeho Riemannově rámci. Jeho definice poskytly stoletý rámec pro pochopení barevných atributů.

Výsledky experimentů s vnímáním barev, které tým provedl, byly doprovázeny obrázky z Los Alamos National Laboratory (LANL). Nicméně, při práci na algoritmech pro vědeckou vizualizaci, výzkumníci odhalili nedostatky v Schrödingerových matematických základech. To otevřelo dveře k dalšímu zpřesnění matematického chápání vnímání barev.

Tým zjistil, že neutrální osa, linie šedých tónů, která vede od černé k bílé, představovala zásadní problém. Uvědomili si, že Schrödinger tuto osu nikdy matematicky nedefinoval, ačkoli jeho definice závisí na tom, jak jsou barvy vůči ní umístěny. Pro definování neutrální osy tým pracoval mimo Riemannův model. To znamenalo významný průlom v matematice vizualizace. Opravili také dva další efekty.

Také se zabývali Bezold-Brückeho efektem, při kterém zvyšující se jas může způsobit, že se barva zdá posouvat v odstínu. Tým to vyřešil použitím nejkratší cesty namísto přímky ve svém geometrickém modelu vnímání barev. Vědci také použili nejkratší cestu v neriemannovském prostoru k řešení fenoménu klesajících výnosů ve vnímání barev. „Pochopení vnímání barev je důležitou součástí vědy o vizualizaci, kritické schopnosti, která informuje mnoho užitečných snah,“ uzavřeli ve svém prohlášení.

Jejich práce, prezentovaná na konferenci Eurographics Conference on Visualization, představuje vyvrcholení projektu o vnímání barev. Stejný projekt také přinesl průkopnickou studii v Proceedings of the National Academy of Sciences v roce 2022. Jejich aktuální práce byla publikována v Computer Graphics Forum, oficiálním časopise Eurographics Association.