راز برجستگی قرمز، زرد، سبز و آبی در بینایی انسان چیست؟

برای لحظه‌ای به یک چرخه رنگ نگاه کنید. نارنجی به‌روشنی ترکیبی از قرمز و زرد به نظر می‌رسد. اما بنفش به‌ندرت مثل آمیزه‌ای از قرمز و آبی احساس می‌شود. چرا قرمز، زرد، سبز و آبی در جهان دیداری ما جایگاهی متفاوت دارند؟

رنگ در طبیعت، رنگ در چشم

پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، برکلی برای پاسخ به این پرسش، سه بخش از این معما را به هم پیوند دادند: طیف رنگ‌هایی که واقعا در صحنه‌های طبیعی دیده می‌شوند، نحوه واکنش سه نوع گیرنده نوری مخروطی در چشم انسان به نور، و اینکه مغز چگونه می‌تواند این سیگنال‌ها را به شکلی کارآمد کدگذاری کند.

نقطه آغاز آن‌ها تجربی بود. این گروه یک مجموعه داده بزرگ و کالیبره‌شده شامل 503 تصویر طبیعی را تحلیل کرد. سپس سیگنال‌هایی را شبیه‌سازی کردند که مخروطی‌های حساس به طول موج بلند، متوسط و کوتاه هنگام مشاهده آن صحنه‌ها تولید می‌کنند. نتیجه، یک لکه یکنواخت از فام‌ها نبود؛ برعکس، فضای رنگی در طبیعت ناهموار و خوشه‌ای است. برخی گستره‌های رنگی بسیار بیشتر از بقیه ظاهر می‌شوند و تمرکزهایی پیرامون تون‌هایی دارند که با آنچه ما قرمز، زرد متمایل به سبز و آبی می‌نامیم هم‌خوانی پیدا می‌کند.

این توزیع نابرابر اهمیت زیادی دارد. اگر برخی ترکیب‌های رنگی در محیط رایج‌تر باشند، یک سیستم حسی که برای بازنمایی کارآمد آن‌ها تنظیم شده باشد، با مصرف منابع کمتر، دقت را در جاهایی که اهمیت دارد حفظ می‌کند.

ریاضیات دیدن

پژوهشگران برای مدل‌سازی کارایی در کدگذاری عصبی، از روشی به نام کدگذاری تنک استفاده کردند. ایده آن از نظر مفهومی ساده است: ورودی‌های حسی پیچیده با تعداد کمی از اجزای سازنده نمایش داده می‌شوند. کدهای تنک اقتصادی‌اند. آن‌ها به مغز اجازه می‌دهند طیف گسترده‌ای از سیگنال‌ها را با مؤلفه‌هایی محدود، قابل استفاده دوباره و انعطاف‌پذیر توصیف کند.

به‌کارگیری کدگذاری تنک روی پاسخ‌های مخروطی در سراسر مجموعه تصاویر، نتیجه‌ای چشمگیر به همراه داشت. فشرده‌ترین بازنمایی به شش مؤلفه پایه نیاز داشت. چهار مؤلفه از این مؤلفه‌ها با محورهای رنگی متناظر بودند که با قرمز، زرد، سبز و آبی هم‌راستا می‌شوند. دو مؤلفه باقی‌مانده کرانه‌های روشنایی را ثبت می‌کردند، یعنی اساسا سیاه و سفید. مدل می‌توانست با همین چند جزء، طیف گسترده‌تر رنگ‌های موجود در طبیعت را بازسازی کند.

این نتیجه توضیحی شهودی برای مشاهده اوالد هرینگ در قرن نوزدهم فراهم می‌کند؛ او گفته بود قرمز، زرد، سبز و آبی در ادراک انسان مانند رنگ‌های یکتا یا بنیادی رفتار می‌کنند. وقتی سیستم بینایی آمار رنگ‌های طبیعی را در مجموعه‌ای محدود از عناصر اولیه فشرده می‌کند، این چهار مؤلفه رنگی به‌صورت اجزای سازنده طبیعی پدیدار می‌شوند.

توضیح تقابل رنگی

چرا قرمز و سبز، و آبی و زرد، مانند رنگ‌های متضاد احساس می‌شوند؟ مدل کدگذاری تنک این موضوع را نیز روشن می‌کند. مؤلفه‌هایی که در مدل با محورهای مخالف هم‌راستا هستند، هنگام فعال شدن یکدیگر را سرکوب می‌کنند. در عمل، فعال شدن در جهت قرمز معمولا مؤلفه سبز را مهار می‌کند و برعکس. به همین شکل، آبی و زرد نیز کانال‌های متقابل را اشغال می‌کنند.

این آرایش آنتاگونیستی باعث می‌شود سیستم بینایی بتواند تضادهایی را که در محیط معنادارند به‌سادگی کدگذاری کند. همچنین توضیح می‌دهد چرا ما به‌ندرت ترکیب مستقیم دو رنگ متقابل را به‌صورت یک فام میانی درک می‌کنیم؛ این رنگ‌ها بیشتر با هم رقابت می‌کنند تا اینکه به‌نرمی با هم ترکیب شوند.

این یافته برای علوم اعصاب و فناوری چه معنایی دارد

از منظر علوم اعصاب، این مطالعه دیدگاه کدگذاری کارآمد را تقویت می‌کند: جنبه‌هایی از ادراک که زمانی دل‌بخواهی به نظر می‌رسیدند، ممکن است از نظم‌های آماری جهان و مغزی برخاسته باشند که برای بازنمایی بهینه آن‌ها شکل گرفته است. نه ویژگی‌های فیزیکی نور به‌تنهایی و نه حساسیت مخروطی‌ها به‌تنهایی، برجستگی چهار فام بنیادی را کامل توضیح نمی‌دهند. اما وقتی آمار صحنه‌های طبیعی و گرایش به بازنمایی عصبی اقتصادی را هم در نظر بگیریم، قطعات پازل در کنار هم قرار می‌گیرند.

پیامدهای عملی نیز وجود دارد. درک اینکه چرا این چهار محور غالب‌اند، می‌تواند به طراحی روش‌های کدگذاری رنگ در تصویربرداری، الگوریتم‌های فشرده‌سازی برای صحنه‌های طبیعی، و ساخت نمایشگرها و دوربین‌هایی کمک کند که با حساسیت رنگی انسان سازگارترند. سیستم‌های بینایی ماشین که از توزیع‌های رنگی طبیعی یاد می‌گیرند نیز ممکن است با به‌کارگیری بازنمایی‌های تنک مشابه، پایداری بیشتری به دست آورند.

دیدگاه کارشناس

«این یافته به‌زیبایی آنچه را در جهان می‌بینیم به چیزی که مغز برای بازنمایی انتخاب می‌کند پیوند می‌دهد.» این را دکتر مایا سرینیواسان، عصب‌شناس بینایی که روی کدگذاری حسی مطالعه می‌کند، می‌گوید. «موضوع این نیست که طبیعت چهار رنگ را به ما تحمیل کرده است؛ بلکه سیستم بینایی ما تکامل یافته، یا در مسیر رشد شکل گرفته است، تا آموزنده‌ترین ابعاد رنگ را با کمترین تعداد بیت توصیف کند. همین صرفه‌جویی، پدیده‌های ادراکی‌ای را پدید می‌آورد که هرینگ بیش از یک قرن پیش مشاهده کرده بود.»

روش‌ها و محدودیت‌های قابل توجه

این مطالعه به مجموعه تصویر مشخص و انتخاب‌های مدل‌سازی وابسته است. 503 تصویر کالیبره‌شده دامنه قابل قبولی فراهم می‌کنند، اما محیط‌ها متفاوت‌اند؛ صحنه‌های شهری، چشم‌اندازهای زیر آب یا مناظر فرازمینی می‌توانند آمار رنگی را تغییر دهند. کدگذاری تنک مجموعه‌ای قابل تفسیر از مؤلفه‌ها ایجاد می‌کند، اما صورت‌بندی‌های دیگر کدگذاری کارآمد ممکن است پایه‌های متفاوتی به دست دهند. با این حال، همگرایی میان خروجی‌های مدل و مشاهدات دیرینه روان‌فیزیکی به این رویکرد وزن و اعتبار می‌دهد.

این پژوهش که در نشریه انجمن اپتیک آمریکا، سری ای منتشر شده، روش‌های محاسباتی مدرن را به نظریه کلاسیک رنگ پیوند می‌دهد. این کار یافته‌های پیشین را رد نمی‌کند؛ بلکه آن‌ها را در بافتی آماری و الگوریتمی بازتعریف می‌کند.

نتیجه‌گیری

ادراک، سازشی میان غنای جهان و محدودیت‌های سازوکار عصبی است. برجستگی قرمز، زرد، سبز و آبی در بینایی انسان کمتر رازآلود و بیشتر عمل‌گرایانه به نظر می‌رسد: این فام‌ها به‌عنوان اجزای سازنده کارآمد برای کدگذاری رنگ‌هایی عمل می‌کنند که در محیط‌های طبیعی بیشترین اهمیت را دارند. وقتی مغز ناچار است حجم عظیمی از ورودی حسی را به بازنمایی‌هایی فشرده تبدیل کند، برخی محورهای رنگی به‌طور طبیعی به‌صورت رنگ‌های اصلی پدیدار می‌شوند.