美國科學家解開薛定諤百年人類顏色感知理論之謎

研究團隊利用幾何學定義了一個關鍵缺失元素——中性軸。

美國研究人員最終補全了理論物理學家埃爾溫·薛定諤在一個世紀前提出的顏色理論中所缺失的數學拼圖。該理論基于他描述人類如何感知顏色的幾何模型。

20世紀20年代，這位奧地利-愛爾蘭裔科學家提出一個基于視覺反應的顏色感知數學模型。他提出，人類可見的全部顏色可以映射為一個由錐細胞反應定義的三維幾何形狀。

現在，由洛斯阿拉莫斯國家實驗室計算機科學家羅克薩娜·布亞克博士領導的研究團隊，利用高等幾何學證明，飽和度、色調和明度并非由文化或經驗塑造。

科學家們最終完善了薛定諤的模型，并表明這些屬性直接內建于人類視覺的數學結構中，而不僅僅是"觀者眼中的主觀感知"。

"我們的結論是，這些顏色品質并非源于額外的外部構造，如文化或習得經驗，而是反映了顏色度量本身的內在屬性，"布亞克說道。她解釋說，該度量將顏色差異描述為可測量的幾何距離。

薛定諤的顏色難題

人類視覺依賴于三色視覺，即使用視網膜中的三種錐細胞（感光細胞）——紅、綠、藍——來檢測波長并產生色覺。19世紀，德國數學家波恩哈德·黎曼首次提出，這些感知空間并非平直的，而是彎曲的。

到了20世紀20年代，薛定諤定義了色調、飽和度和明度這些感知屬性。他在其黎曼幾何框架中提出，這些品質源于顏色感知的度量。他的定義為一個世紀以來理解顏色屬性提供了框架。

然而，在為科學可視化開發算法的過程中，研究人員發現了薛定諤數學基礎中的缺陷。這為進一步完善顏色感知的數學理解打開了大門。

研究團隊發現，中性軸——即從黑到白的灰色調軸線——是一個主要問題。他們意識到，薛定諤實際上從未從數學上定義過這個軸，盡管他的定義都依賴于顏色相對于該軸的位置。

填補空白

為了定義中性軸，研究團隊在黎曼模型之外進行了探索。這標志著可視化數學領域的一項重大突破。他們還修正了另外兩個效應。

他們還處理了貝措爾德-布呂克效應，即亮度增加可能使顏色看起來色調發生變化的現象。研究團隊通過在他們的顏色感知幾何模型中使用最短路徑（而非直線路徑）來解決這個問題。

科學家們還在非黎曼空間中使用最短路徑，以解釋顏色感知中的收益遞減現象。"理解顏色感知是可視化科學的重要組成部分，這是一項關鍵能力，為許多有益的探索提供信息，"他們在一份聲明中總結道。

他們的這項研究已在歐洲圖形學會可視化會議上展示，標志著一個關于顏色感知項目的完成。同一個項目在《美國國家科學院院刊》上發表過一項開創性研究。

他們目前的論文已發表在《計算機圖形論壇》上，該雜志是歐洲圖形學會的官方期刊。

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