Một nghiên cứu mới nhất do Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở Hoa Kỳ dẫn đầu tuyên bố đã giải quyết được lý thuyết nhận thức màu sắc do nhà vật lý Erwin Schrödinger đề xuất gần một trăm năm trước nhưng vẫn luôn có sai sót và cung cấp một mô tả toán học hoàn chỉnh về bản chất hình học trong cách con người cảm nhận màu sắc. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp hình học để mô tả trải nghiệm của mắt người về màu sắc, độ bão hòa và độ sáng, chứng minh rằng những kích thước cảm nhận này là đặc tính cơ bản của chính hệ màu chứ không phải là kết quả của văn hóa hoặc kinh nghiệm học tập có được.

Công trình này được dẫn dắt bởi Roxana Bujack, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos. Các kết quả liên quan đã được báo cáo tại các hội nghị quan trọng trong lĩnh vực khoa học trực quan và được công bố trên tạp chí "Diễn đàn đồ họa máy tính", bổ sung thêm một liên kết quan trọng còn thiếu cho tầm nhìn của Schrödinger về mô hình màu hoàn chỉnh. Nghiên cứu cho thấy rằng theo khung toán học mới, màu sắc, độ bão hòa và độ sáng có thể được xác định hoàn toàn bằng mối quan hệ hình học giữa các màu sắc, do đó đóng lại hệ thống lý thuyết đã chờ đợi từ lâu này về mặt khái niệm.

Tầm nhìn màu sắc của con người dựa vào ba loại tế bào hình nón trong võng mạc nhạy cảm với các dải màu đỏ, lục và lam. Cùng nhau, chúng tạo thành một "không gian màu" ba chiều được sử dụng để sắp xếp và phân biệt các màu khác nhau. Ngay từ thế kỷ 19, nhà toán học Riemann đã đề xuất rằng không gian mà con người cảm nhận được có thể không “thẳng” mà có độ cong. Vào những năm 1920, Schrödinger đã đưa ra các định nghĩa toán học về màu sắc, độ bão hòa và độ sáng trong khuôn khổ hình học Riemannian, đặt nền tảng cho khoa học màu sắc tiếp theo.

Tuy nhiên, trong quá trình phát triển các thuật toán trực quan hóa khoa học, nhóm Los Alamos đã phát hiện ra rằng lý thuyết của Schrödinger có những điểm yếu rõ ràng trong cấu trúc toán học, gây khó khăn cho việc hỗ trợ một số ứng dụng chính xác nhất định. Khám phá này đã thôi thúc họ tiến hành phản ánh một cách có hệ thống về mô hình truyền thống và cuối cùng đề xuất một khuôn khổ hình học được sửa đổi và mở rộng để làm cho lý thuyết phù hợp hơn với dữ liệu đo được.

Trong nghiên cứu, một trong những vấn đề then chốt cần khắc phục là cái gọi là "trục trung tính", tức là trục xám từ đen sang trắng. Định nghĩa của Schrödinger phụ thuộc rất nhiều vào vị trí của màu sắc gần trục này, nhưng ông chưa bao giờ đưa ra đặc tính toán học chặt chẽ của trục này, dẫn đến toàn bộ mô hình thiếu cơ sở hình thức hoàn chỉnh. Bước đột phá của nhóm Los Alamos là lần đầu tiên, trục trung tính được xác định chính xác về mặt toán học chỉ dựa trên các đặc tính hình học của chính phép đo màu và trong quá trình đó, nó đã vượt qua những hạn chế của khuôn khổ Riemannian truyền thống.

Các nhà nghiên cứu đã nhúng kết quả của một số lượng lớn thử nghiệm màu sắc trước đó vào các không gian màu tiêu chuẩn như CIERGB và nhận thấy rằng mọi người về mặt chủ quan cảm thấy rằng bề mặt đẳng sắc được hình thành bởi các màu có "cùng sắc thái" không di chuyển dọc theo một đường thẳng về phía một đỉnh nhất định. Điều này cho thấy các giả định về cấu trúc hình học của không gian màu trong mô hình cổ điển là quá lý tưởng và cần có các cấu trúc không thẳng phức tạp hơn để khắc họa sự khác biệt thực sự về nhận thức của con người.

Trong quá trình khắc phục những sai sót về mặt lý thuyết, nhóm còn sửa thêm 2 vấn đề tồn tại lâu dài khác. Một trong số đó liên quan đến hiệu ứng Bezold–Brugge, trong đó những thay đổi về cường độ ánh sáng làm thay đổi nhận thức chủ quan của con người về màu sắc. Các nhà nghiên cứu đã từ bỏ mô tả hình học ban đầu dựa trên các đường thẳng và thay vào đó sử dụng “đường đi ngắn nhất” (trắc địa) trong không gian màu cảm nhận để mô tả khoảng cách giữa các màu, từ đó phản ánh chính xác hơn sự dịch chuyển màu sắc xảy ra khi thay đổi độ sáng.

Ý tưởng "đường đi ngắn nhất" tương tự cũng đã được đưa vào không gian màu phi Riemannian để giải thích hiện tượng được gọi là hiện tượng "lợi ích nhận thức giảm dần": khi sự chênh lệch màu sắc ngày càng lớn hơn, độ nhạy của mắt người đối với sự khác biệt không còn tăng tuyến tính nữa, thậm chí có xu hướng bão hòa. Mô hình mới có thể đưa ra những giải thích định lượng theo một khuôn khổ thống nhất, khiến lý thuyết trở nên phù hợp hơn với các kết quả thực nghiệm tâm sinh lý.

Buyak cho biết nhóm đã kết luận rằng các thuộc tính màu sắc truyền thống như màu sắc, độ bão hòa và độ sáng không phải là nhãn gắn liền với màu sắc sau khi dựa vào nền tảng văn hóa hoặc kinh nghiệm học tập mà là các thuộc tính nội tại được mã hóa trong cấu trúc hình học của chính phép đo màu. Theo ý kiến ​​​​của cô, mô hình mới xác định "khoảng cách màu" về mặt hình học, đó là khoảng cách mà người quan sát cảm nhận một cách chủ quan hai màu sắc. Nó cung cấp cho ý tưởng ban đầu của Schrödinger một nền tảng toán học đã bị thiếu trong gần một trăm năm.

Nghiên cứu được báo cáo tại Hội nghị trực quan Eurographics năm nay, là một trong những kết quả giai đoạn đầu tiên của dự án tầm nhìn màu dài hạn tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos. Dự án này đã xuất bản một bài báo quan trọng trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) vào đầu năm 2022. Trên cơ sở đó, công trình này tiếp tục thúc đẩy mô hình hóa không gian màu phi Riemannian và đặt nền tảng cho nghiên cứu điện toán hình ảnh phức tạp hơn trong tương lai.

Mô hình nhận biết màu sắc chính xác hơn được cho là sẽ mang lại triển vọng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ công nghệ chụp ảnh và video đến hình ảnh khoa học và trực quan hóa dữ liệu, độ chính xác của mô hình màu sắc ảnh hưởng trực tiếp đến độ rõ ràng và độ tin cậy của việc trình bày thông tin. Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng việc mô phỏng chính xác “khoảng cách màu” trong mắt người sẽ giúp các nhà khoa học và kỹ sư đưa ra những thiết kế và phán đoán trực quan đáng tin cậy hơn khi đối mặt với dữ liệu phức tạp, từ đó phục vụ nhiều lĩnh vực then chốt từ mô phỏng hiệu suất cao đến khoa học an ninh quốc gia.

Bài viết "Hình học màu sắc trong ánh sáng của không gian phi Riemannian" được hoàn thành bởi Bujak và các cộng tác viên Emily N. Stark, Terece L. Turton, Jonah M. Miller và David H. Rogers và sẽ được xuất bản chính thức vào tháng 5 năm 2025. Dự án nhận được tài trợ từ Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Chỉ đạo của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Chương trình Mô phỏng và Phát triển Tiên tiến của Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia. Chương trình tính toán.