برای لحظهای به چرخه رنگ نگاه کنید. نارنجی مانند ترکیبی آشکار از قرمز و زرد به نظر میرسد. بنفش به ندرت مانند ترکیبی از قرمز و آبی احساس میشود. چرا قرمز، زرد، سبز و آبی جایگاه متفاوتی در دنیای بصری ما دارند؟
رنگ در طبیعت، رنگ در چشم
پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، برکلی تلاش کردند به این پرسش پاسخ دهند و سه قطعه از معما را به هم متصل کردند: پالت رنگهایی که عملاً در صحنههای طبیعی دیده میشوند، نحوه واکنش سه نوع مخروط حساس به طول موج در چشم انسان نسبت به نور، و چگونگی کدگذاری کارآمد این سیگنالها در مغز.
نقطه آغاز آنها تجربی بود. تیم تحقیق مجموعهای بزرگ و کالیبرهشده شامل 503 تصویر طبیعی را تحلیل کرد. آنها سیگنالهایی را که مخروطهای دارای حساسیت طول موج بلند، متوسط و کوتاه در هنگام مشاهده این صحنهها تولید میکردند، شبیهسازی کردند. چیزی که پدیدار شد یک پخش یکنواخت از رنگها نبود؛ بلکه فضای رنگ در طبیعت خوشهای بود. برخی بازههای رنگی بسیار بیشتر از بقیه ظاهر میشدند و تمرکزهایی حول تونهایی وجود داشت که به قرمز، زرد-سبز و آبی منطبق میشوند.
این توزیع نابرابر مهم است. اگر ترکیبهای رنگی خاصی در محیط شایع باشند، سامانه حسی که برای نمایش کارآمد آنها تنظیم شده باشد میتواند منابع کمتری مصرف کند در حالی که دقت را در جاهایی نگه دارد که اهمیت دارد.
ریاضیات دیدن
برای مدلسازی کارآمدی در کدگذاری عصبی، پژوهشگران از تکنیکی استفاده کردند که به آن «کدگذاری پراکنده» گفته میشود. ایده به لحاظ مفهومی ساده است: ورودیهای حسی پیچیده را با استفاده از تعداد اندکی بلوک سازنده نمایش بدهیم. کدهای پراکده اقتصادیاند. آنها به مغز اجازه میدهند با مؤلفههای محدود و قابل بازیافت، مجموعه گستردهای از سیگنالها را توصیف کند.
اعمال کدگذاری پراکنده روی پاسخهای مخروطی در مجموعه تصاویر نتیجهای چشمگیر داد. فشردهترین نمایش نیاز به شش مولفه پایه داشت. چهار مورد از آن مولفهها با محورهای رنگی همراستا بودند که با قرمز، زرد، سبز و آبی مطابقت داشتند. دو مولفه باقیمانده شدت روشناییهای افراطی را ثبت میکردند، در اصل سیاه و سفید. از این قطعات اندک، مدل توانست پالت گستردهتری را که در طبیعت یافت میشود بازسازی کند.
این نتیجه دلیل شهودی برای مشاهدۀ ادوارد هِرینگ در قرن نوزدهم فراهم میآورد که قرمز، زرد، سبز و آبی مانند رنگهای یگانه یا بنیادی در ادراک انسان رفتار میکنند. وقتی سامانه بصری آمار رنگ طبیعی را به مجموعهای محدود از اولیهها فشرده میکند، چهار مولفه کروماتیک بهصورت بلوکهای سازنده طبیعی ظاهر میشوند.
توضیح تقابلی بودن رنگها
چرا قرمز و سبز، و آبی و زرد، مانند عکسهای یکدیگر احساس میشوند؟ مدل کدگذاری پراکنده در این زمینه نیز روشن میکند. مولفههایی که با محورهای مخالف در مدل همراستا هستند، هنگام فعال بودن یکدیگر را سرکوب میکنند. در عمل، فعال شدن در جهت قرمز تمایل دارد مولفه سبز را بازدارند و بالعکس. به همین ترتیب، آبی و زرد در کانالهای متقابل قرار میگیرند.
این چینش تقابلی کار رمزگذاری کنتراستهایی را که در محیط معنیدارند آسان میکند. همچنین توضیح میدهد چرا به ندرت ترکیب مستقیمی از دو رنگ مخالف را بهعنوان یک رنگ میانی میبینیم؛ آنها رقابت میکنند و بهصورت صاف ترکیب نمیشوند.
این برای علوم اعصاب و فناوری چه معنایی دارد
از دید علوم اعصاب، این مطالعه دیدگاه کدگذاری کارآمد را تقویت میکند: جنبههایی از ادراک که زمانی دلخواه به نظر میرسیدند ممکن است از قاعدهمندیهای آماری در جهان و مغزی که برای نمایش آنها بهینه شده ناشی شوند. نه خواص فیزیکی نور و نه حساسیتهای مخروطی بهتنهایی اهمیت چهار رنگ بنیادی را کامل توضیح نمیدهند. وقتی آمار صحنههای طبیعی و انگیزهای برای نمایهسازی عصبی اقتصادی را در نظر بگیریم، قطعات در کنار هم قرار میگیرند.
ابعاد کاربردی هم وجود دارد. درک اینکه چرا این چهار محور غالباند میتواند در طرحهای رمزگذاری رنگ در تصویربرداری، الگوریتمهای فشردهسازی برای صحنههای طبیعی، و طراحی نمایشگرها و دوربینهایی که بهتر با حساسیت رنگی انسان همخوانی دارند مؤثر باشد. سامانههای بینایی ماشینی که از توزیعهای رنگ طبیعی یاد میگیرند نیز با اتخاذ نمایشهای پراکنده مشابه ممکن است استحکام بیشتری کسب کنند.
دیدگاه کارشناس
«این یافته بهشیوهای زیبا آنچه را در جهان میبینیم به آنچه مغز انتخاب میکند نمایش دهد پیوند میزند،» میگوید دکتر مایا سرینیواسان، عصبشناس بینایی که کدگذاری حسی را مطالعه میکند. «اینطور نیست که طبیعت چهار رنگ را به ما تحمیل کرده باشد؛ بلکه سامانه بصری ما در طول تکامل یا توسعه به گونهای شکل گرفته است که اطلاعاتمحورترین ابعاد رنگ را با کمترین بیت توصیف کند. این صرفهجویی پدیدههای ادراکی را که هِرینگ بیش از یک قرن پیش مشاهده کرد، تولید میکند.»
روشها و محدودیتهایی که باید به آنها توجه کرد
این مطالعه به مجموعه تصاویر و انتخابهای مدلسازی خاص وابسته است. 503 تصویر کالیبرهشده گستردگی فراهم میکنند، اما محیطها متغیرند ــ صحنههای شهری، دیدهای زیرآبی یا منظرههای فرازمینی آمار را تغییر خواهند داد. کدگذاری پراکنده مجموعهای قابلتفسیر از مولفهها تولید میکند، اما ترکیبهای دیگر از چارچوبهای کدگذاری کارآمد ممکن است پایههای متفاوتی داشته باشند. با این حال، همگرایی بین خروجیهای مدل و مشاهدات روانفیزیکی دیرین به این رویکرد وزن میدهد.
منتشر شده در مجله انجمن اپتیک آمریکا A، این کار روشهای محاسباتی مدرن را به نظریه رنگ کلاسیک پیوند میزند. این مطالعه یافتههای قبلی را واژگون نمیکند؛ بلکه آنها را در چارچوبی آماری و الگوریتمی بازتعریف میکند.
نتیجهگیری
ادراک آمیختهای از غنای جهان و محدودیتهای ماشین عصبی است. برجستگی قرمز، زرد، سبز و آبی در دید انسان کمتر مرموز و بیشتر عملگرایانه به نظر میرسد: این رنگها بهعنوان بلوکهای سازندهای کارآمد برای کدگذاری رنگهایی که در محیطهای طبیعی اهمیت دارند عمل میکنند. وقتی مغز باید ورودیهای حسی وسیع را در نمایشهای فشرده خلاصه کند، برخی محورها بهطور طبیعی بهعنوان محورها اصلی پدیدار میشوند.
"برای من علم یعنی دیدن دنیایی که همیشه چیز تازهای برای گفتن دارد. از کشفیات فضایی گرفته تا پیشرفتهای پزشکی، هر خبر علمی فرصتی است برای یاد گرفتن و شگفتزده شدن."
گفتگو
نظر بگذارید
نظرات
هنوز نظری ثبت نشده. اولین نفر باشید.