这位计算机科学家如何重新思考色彩理论

在晴朗的天空和高挂的太阳下，普通人的眼睛几乎可以看到整个可见光谱。如果没有直射的阳光，反射只能提供彩虹的一小部分。但是，尽管黑暗会扭曲我们的参考点，我们仍然可以确定阴影中的颜色。许多因素都会影响我们感知到的色调：我们的眼睛、我们的大脑、空气、光线反射的物体、地球的几何形状，甚至我们的视觉记忆。

试图在计算机显示器或打印机上复制这种对色彩的广度和敏感度对于技术人员来说既是噩梦又是梦想。这正是新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室规模数据科学团队的科学家 Roxana Bujack 试图通过计算解决的问题。数学是“Photoshop 中发生的一切”的背后支撑，Bujack 说。“它们只是矩阵和运算，但你可以用眼睛立即看到这些数学的作用。”

这个问题的任何答案都与艺术级色轮相去甚远，甚至与当今大多数计算机屏幕和打印机的运行方式也相去甚远。数字作品依赖于 RGB（红、绿、蓝）模型，该模型使用显示器的光源来调整这三种颜色的亮度以在像素中产生颜料。而打印机背后的 CMY（青色、洋红、黄色）模型是减色的，从白色基色中去除颜色；如果你想在卡片纸上打印黄色，打印机会结合 CMY 墨水以不同程度地改变较浅的背景以达到所需的颜色。

这些颜色模型上一次更新是在一百年前。量子猫名人埃尔温·薛定谔与数学家伯恩哈德·黎曼和物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹一起改进了 RGB。他们意识到，比如说，玫瑰红和暗绿色之间的距离无法用直线测量，因此他们寻找一种更灵活的模型。他们从熟悉的物理空间（即所谓的欧几里得几何）中的颜色表示转向了扭曲的黎曼几何世界。

布杰克将他们的解释比作航空服务地图。航线不是用直线表示的，而是用反映地球曲率的半月形表示的。“假设你取两种颜色，然后选择一种位于它们之间最短路径上的颜色——比如中间是洋红色，右边是紫色，左边是粉色。然后你测量从洋红色到紫色和从洋红色到粉色的路径，”她说。“这两条路径段的总和应该等于从洋红色到粉色绘制的整条路径的长度，代表这两种颜色之间的感知差异。它应该相加，就像从西雅图经雷克雅未克到阿姆斯特丹的飞行距离一样。”

薛定谔的 3D 模型是色彩理论的基础，已有 100 多年的历史。科学家和开发人员在寻求完善机器屏幕上色彩的数字表示时会应用该模型。它有助于将人眼区分不同色调的方式转化为像素，例如，您可以毫不模糊地识别出此文本为黑色，背景为白色。

对于布杰克来说，这个领域的轮廓很熟悉。她在德国莱比锡大学学习数学，一门关于图像处理的课程让她进入了该领域的一个分支。正是在那里，她对数学产生了浓厚的兴趣，数学驱动着各种各样的程序，从 Photoshop 到耗费处理器的视频游戏。2014 年，她获得了计算机科学博士学位，随后进入洛斯阿拉莫斯实验室，曼哈顿计划的前身。

2021 年，她的团队在那里启动了一个目标不高的项目：建立设计彩色地图的算法，简化颜料到数字和日期的转换，布杰克说。使用 Photoshop、Final Cut 和类似程序的插画师将受益；用颜色表示数值数据的气候科学家、物理学家和气象研究人员也将受益。

但他们发现了一个矛盾之处，颠覆了人们对该领域的百年理解。“薛定谔的工作非常先进，他意识到我们需要一个弯曲的空间来描述颜色空间，而这个愚蠢的欧几里得空间行不通，”布杰克说。但薛定谔和他的合作者“没有注意到我们需要一个更强大的模型。”

布杰克和她的团队发现，薛定谔的数学是行不通的，因为它无法预测两种颜色之间的正确色调。在一条飞行路线上——例如在西雅图和雷克雅未克之间的中途——你可以计算出你的旅程还剩多长时间。但紫色和红色之间的中点并不能产生预期的颜色。旧的 3D 方法高估了我们感知到的一种色调与另一种色调的差异。洛斯阿拉莫斯团队于 2022 年 4 月在《美国国家科学院院刊》上发表了他们的研究结果。“作为一名科学家，我一直梦想着证明某个名人是错的，”布杰克说。“然而，这种程度的名气甚至超出了我最疯狂的梦想。”

但这一发现并没有带来明显的解决方案。“目前的模型并不准确，”布杰克说。“[但]这并不意味着我们有一个现成的模型来取代它。”因为绘制新空间比薛定谔的计算“费力得多”，数学更新是“未来很多年的事情”。

然而，这一发现的影响可能会很快出现在我们的电脑上。尼克·斯派克是一位色彩工程师，致力于开发一种专有的数字照明系统 IDT Maker。在布杰克的研究发表后，他为她提供了咨询。此后，他为一种产品提交了专利，该产品可以帮助视频制作者和摄影师改变视频和照片中显示的时间。

虽然它还没有带来替代模型，但 Bujack 的洞察力将有助于打造更好的产品——例如，“如果你在观看 Netflix 或任何视觉内容，并且想要准确的颜色，”Spiker 说。他补充道，“现在这将使图像看起来比以往更加逼真。”

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