...
...

Приложение к "Популярно об ИИ". Технологии иллюзий

Закулисье КГ… В последнее время... Началось активное обсуждение вопросов, особенно тех, что были подняты в материалах по искусственному интеллекту, в том числе и по зрительному восприятию. Один читатель вступил в споры очень резко, предлагая как единственно верную теорию нашего цветовосприятия в виде открытия Хьюбела (за что тот получил Нобелевскую премию). Он (читатель) считает, что трехкомпонентная модель Ломоносова- Юнга-Гельмгольца абсолютно ничего не объясняет. При этом и сам ничего объяснить не смог. Другой (тоже читатель) достал книгу чуть ли не тридцатого года прошлого века и начал ее цитировать, третий (опять же читатель) нашел материал о папуасах, которые как-то по особенному видят, четвертый (все также читатель) вообще вооружился семицветной теорией Ньютона, а пятый (уже зрелый читатель) пригласил меня на личную встречу, где вручил ксерокопию статьи журнала "Радио" за 1960 год, где описаны опыты на базе диска Бенхэма.

Вот это, в том числе, мы и обсудим. Живем мы в XXI веке, и проверить все самостоятельным образом также можем, поскольку программируем. Эти опыты под силу реализовать практически любому, кто интересуется и владеет каким-нибудь из языков программирования. Итак, начнем с вводной части.

Экспериментальные факты, некоторые из которых до сих пор широко обсуждаются, дают почву для разделения мнений даже среди опытных ученых. Но далеко не все из рассматриваемого и вызывающего споры доступно в наглядном виде для обычного человека. Без должной экспериментальной базы ему приходится многое принимать на веру. Отсюда возникает ряд проблем. Поэтому все, о чем будет сейчас написано, может без особых усилий сделать у себя дома любой программист и даже самый начинающий в рамках среды Adobe/Macromedia Flash. И все увидеть самому.

Также стоит ввести предупреждение о том, что очень много описанных опытов предусматривают стробоскопический эффект, который в рамках ПО будет дополнительно накладываться на частоту смены кадров монитора. То есть, все подобные опыты лучше делать специально с возможностью медленного разгона, чтобы в случае плохого самочувствия их исследование не принесло вреда.

Цветовое восприятие

Как известно (немного повторим базис), человек обладает двумя типами зрения — цветным и черно-белым, или сумеречным. За каждый из них отвечают свои фоторецепторы — колбочки (их три вида) и палочки. Они отличаются структурно, но принцип действия этих светочувствительных клеток имеет схожую технологию, потому как и там, и там в качестве зрительных пигментов используются сложные белки, меняющие свое состояние под воздействием света.

Палочек практически в 20 раз больше, чем колбочек (около 120 млн), они расположены по всей полусферической поверхности сетчатки, причем подключение к волокнам зрительного нерва у них происходит по схеме "много-к-одному". Единственный зрительный пигмент — родопсин. Палочковое зрение обладает большой чувствительностью, но при этом не различает цвета.

Колбочки, которых значительно меньше, сосредоточены в центре сетчатки и начинают функционировать при достаточно ярком освещении. У них три типа опсинов, максимумы чувствительности которых приходятся на 445, 535 и 570 нм, что соответствует нашему восприятию красного, зеленого и синего цветов, при этом видимый спектр получается весьма обширным: 390-760 нм (от пурпурного до фиолетового). При этом не стоит забывать, что существует такое интересное свойство, как метамерия, в рамках которого сочетание нескольких цветов могут вызывать ощущения другого цвета, натуральная длина волны которого находится в другом диапазоне. Например, из синего и красного при определенных их сочетаниях вы можете получить как пурпурный, который находится в нижней части видимого спектра, так и фиолетовый, который расположен в верхней его точке.

Зрение и восприятие — разные понятия, поскольку за последнее отвечает мозг. Причем все функционирует достаточно уникально. Например, любой дизайнер или опытный художник вам расскажет о замкнутой системе восприятия, которую весьма удобно можно представить в виде цветового колеса, в рамках которого пурпурный переходит в фиолетовый (два крайних порога воспринимаемого спектра) и все получается взаимосвязанным.

При этом любой цвет (его ощущение) можно получить совершенно различными сочетаниями. Сейчас наиболее распространены две цветовые модели: . RGB, которая соответствует трем основным цветам (красный (R), зеленый (G) и синий (B)).

. CMYK. Она называется субтрактивной в силу ее природы, поскольку первые три цвета получены вычитанием из белого одного из основных: (голубой (C) = белый минус красный, пурпурный (M) = белый минус зеленый, желтый (Y) = белый минус синий), а последний blacK, если объяснять просто, обратен белому.

CMYK более распространен в полиграфии, поскольку в этом случае мы имеем дело с отражающими/поглощающими поверхностями, в то время как модель RGB большей частью используется в излучающих устройствах (мониторах, телевизорах и т.п.).

Сам по себе белый цвет (белый свет) имеет сложный спектральный состав, который вызывает нейтральное ощущение фоторецепторов. Но в силу той же метамерии его ощущения можно добиться различными сочетаниями (например, сине-зеленый плюс красный, оранжевый и синий, зелено-желтый и фиолетовый и т.п.).

На рисунке 1 показано цветное колесо и два варианта цветовых моделей.

Стробоскопический эффект

Отдельно стоит сказать о таком параметре, как скорость нашего восприятия. Глядя на монитор или в телевизор, вы не задумываетесь, что там идет смена статических кадров в предельно короткое время. Вы воспринимаете это как непрерывный процесс. На базе этого придумано множество технологий и создается большое количество иллюзий, некоторые из которых находят реальное техническое применение.

Наверное, первое, что нам нужно рассмотреть в качестве примера, — систему с последовательной передачей цветов.

Последовательная передача цветов

Этот принцип рассматривали как один из первых вариантов перехода от ч/б кино к цветному и, соответственно, такому же телевизионному вещанию. То есть изображение формируется с помощью трех одноцветных кадров (красный, зеленый, синий). Но они выводятся не одновременно, как в большинстве современных систем, а последовательно, то есть один за другим и на очень большой скорости. А поскольку наше восприятие имеет интегральные (суммирующие) свойства, то оно эти кадры объединяет в единую цветную "картинку".

Сейчас этот метод применим в проекторах с "цветным колесом".

На рисунке 2 показан обыкновенный программный пример, в котором есть окошко, поочередно меняющее цвета (красный, синий, зеленый), есть регулировка скорости смены кадров, а также яркости. В результате при максимальных настройках частоты и яркости вы получите мерцающую картинку, которая будет ассоциироваться с серо-белым цветом (светло-серым). В данном случае нужно ввести предупреждение о том, что не стоит сильно увлекаться просмотром именно этого примера, потому как подобное мерцание при длительном наблюдении не является полезным.

У производителей первых проекторов с цветным колесом (где скорости гораздо выше и согласованнее) в одно время возникли схожие проблемы, потому как некоторые зрители жаловались на излишнюю утомляемость. В результате модели на старом принципе действия значительно подешевели, а в новой технике учли множество факторов, нарастили скорость, увеличили количество цветов, стали использовать другие цветовые модели (не RGB). То есть сейчас эти уникальные устройства практически безвредны.

Что касается телевидения, то в качестве последовательно-цветовой системы рассматривался вариант с цветными дисками, которые предполагалось ставить у экрана ч/б телевизора и синхронизировать скорость вращения с выводом кадров. Причем на серьезном уровне рассматривали варианты усовершенствования вещания именно для этих технологий (сейчас у нас цвет формируется с помощью трех электронных пушек и трех типов люминофоров в ЭЛТ-варианте, тогда такое еще только разрабатывалось). Но на практике все оказалось очень проблематичным. Диски шумели, на них накапливалось статическое электричество и собиралось много пыли. Что касается вещания, то нужно было утраивать частоту вывода кадров, для чего нужно было усовершенствовать все модели ч/б телевизоров. В общем, массовых технологий из этого не вышло.

Но мысли о том, как ч/б телевизор превратить в цветной минимальными усилиями, не покидали инженеров. И, кстати, достаточно пристальное внимание обратили на… незатейливую игрушку/психофизиологический тест от Бенхэма, изобретенную еще в позапрошлом веке.

Диск Бенхэма и другие эксперименты

Да, сейчас мы будем крутить диски. Среди сообщества советских ученых, инженеров и просто любителей науки весьма знаменательным событием стала статья М. Бобневой "О новых опытах по цветопередаче и цветовосприятию", опубликованная в 3-м номере журнала "Радио" за 1960 год. Материал начинался с того, что в 1956 году в Англии проводился опыт с передачей цветного изображения на ч/б телевизоре, а в 1959 в американской прессе были опубликованы опыты доктора Лэнда, посвященные схожей тематике. Мы обсудим и наглядно рассмотрим только первую часть, касающуюся английских экспериментов.

Реализуя программным способом колесо, показанное на рисунке 3, при его (этого колеса) вращении в ту или иную сторону вы не увидите явного яркого присутствия цвета, но меняется окрас. Нажатием кнопок "Вперед"/"Назад" можно управлять скоростью и направлением вращения. При определенном стечении параметров могут возникнуть четыре ситуации: центральная (внутренняя) область начнет отсвечивать синеватым оттенком, а внешняя приобретет легкий оттенок красного. После дальнейшего ускорения весь диск окрасится в красноватый, а потом первая ситуация поменяется (центр — красноватый, внешняя часть с синим отливом), а после весь диск будет отсвечивать синим.

В принципе, на данном этапе программистам самое главнее реализовать "движок", а потом для других экспериментов можно просто "менять колеса". На рисунке 4 показан классический диск Бенхэма, который еще в некомпьютерную эпоху служил настольной игрушкой, удивляя многих детей и взрослых людей своим результатом. При достаточно интенсивном вращении по часовой стрелке (кнопка "Вперед", нажатая несколько раз) кольца окрашиваются в различные цвета в одном порядке (если начинать от внешних, то это сине-фиолетовый, потом, если смотреть, направляясь к центру, все переходит в зеленый, желтый, красный), а против часовой — распределение цветов происходит в обратном порядке. В обоих случаях мы видим некое подобие спектра.

На данном этапе программисту-экспериментатору следует несколько отойти от журнальной статьи и расширить опыт с диском Бенхэма, заменив черный цвет… например, на красный, который в RGB-варианте записывается как FF0000 (первые два шестнадцатеричных символа — красный (R), вторые два — зеленый (G), третья пара — синий (B), соответственно, белый — FFFFFF, черный — 000000).

Здесь вы увидите примерно такую же картину с разложением спектра, только красно-белого, причем обратите внимание на то, что здесь начинают присутствовать и более "темные" по нашему восприятию цвета.

Коричнево-белый, хотя вернее этот коричневый назвать темно-красным (660000 по RGB), даст другой интересный результат.

И напоследок можете поэкспериментировать со "смесями", сделав, например, черно(000000)-желтый(FFFF00) вариант.

Следует отметить, а вы это выясните в результате опытов, что далеко не все сочетания могут давать посторонние цвета.

***

Теперь переходим обратно к статье из журнала "Радио", из которой узнаем, что англичане уже совместно с австрийцами нашли интересный выход, а именно, создали специальные модификации колес Бенхэма, которые дают три ключевых цвета. Мы повторили их опыты, и вы можете увидеть демонстрацию изобретения на специальных флеш-презентациях.

Итак, диск, отображенный на рисунке 5, поделен на семь сегментов, и в данном примере вращение по часовой дает синий, против часовой — красный. В варианте, показанном на рисунке 6, остается семисегментное деление, но в результате получается зеленый, который возможен как при движении против часовой, так и по.

Но вращающиеся диски в практическом применении не очень удобный вариант (а экспериментаторы задались целью сделать цветное ТВ), поэтому изобретатели решили пойти дальше и перенести все на пленку в виде кадров, каждый из которых повторял наполнение вращающихся секторов. В журнале "Радио" был приведен рисунок, по которому мною была сделана флеш-презентация, показанная на рисунке 7.

Этот вариант полностью повторяет иллюстрацию из журнала, но в деле он оказался не совсем подходящим, потому как там были изображены границы кадров — на диске такого нет (разделения секторов линиями).

В общем, было сделано некоторое улучшение — собственный вариант (рисунок 8), который более отчетливо дает красный/синий/зеленый. Что тогда ученые и получили на самом деле.

Таким образом, имея уже готовую связку из RGB, причем сделанную только на основе ч/б изображения, можно было отталкиваться. Но на самом деле работы предстояло еще очень много. Это сегодня мы можем проделать такие опыты, введя несколько строк кода и увидев результаты, а тогда подразумевалось использование пленок. Следующим вопросом, конечно, стояла реализация их взаимодействия, управления яркостью цветов. Самого описания принципа совмещения нет, но в статье идет ссылка на то, что "как указывают и сами авторы, можно передавать в цвете несложные статические изображения — заставки, рекламные объявления, изготовленные особым образом мультфильмы…".

Следует отметить и принципиальную разницу того, что мы приводим в рамках флеш-презентаций, и опытных моделей ученых того времени, поскольку немаловажным влияющим фактором у нас при просмотре на дисплее является частота обновления экрана. То есть, да, вы можете увидеть цветовые изменения, но даже диск Бенхэма в реальности, если собрать такую игрушку, дает более насыщенные цвета и меньше стробоскопии. Но для факта, который может кому-то показаться важным, все презентации со стробоскопией в приведенных мною примерах делались с параметром fps (частота обновления экрана) 60 Гц. И все работало достаточно достоверно.

Что интересно…

Экспериментировать с созданием цветовых моделей могли еще в эпоху черно-белого кино. Многие почему-то предполагают, что Бенхэм или англичане с австрийцами нашли некие уникальные сочетания, но это не так. На 9-м рисунке показано, как можно получить цветные фрагменты при быстром движении полосы. А на 10-м — абсолютно взятый из головы случайный вариант с крутящимся колесом. Все получается видимым.

То есть вы можете создавать собственные цветные коллажи и без привязки к математически выверенным линиям.

Несколько возможных объяснений увиденных эффектов

Мы неспроста начали рассмотрение с системы с последовательной передачей цветов и объяснением стробоскопического эффекта, при котором у человека прерывистые световые вспышки начинают ассоциироваться с непрерывным светом. Также вы можете взять следующий пример в качестве основы для размышлений.

На рисунке 11 показан пример программы с крутящимся цветным колесом (белый, красный, зеленый и синий). Раскрутите колесо в ту или иную сторону, пока не увидите большее количество цветов, кроме исходных. Появится множество промежуточных вариантов, которые являются результатами метамерии. Мозг обладает интегральными (суммирующими) свойствами, в то время как скорость работы рецепторов, в данном случае колбочек, идет с опережением самого анализа. Например, когда была неприглядная ситуация с проекторами с цветным колесом, очень многие жаловались на усталость глаз. После просмотра фильма в кино (а кино — это классический пример стробоскопического эффекта) не рекомендуется сразу садиться за руль автомобиля. И то, что нам кажется в рамках стробоскопических эффектов непрерывным, на самом деле связано только со скоростью восприятия.

И пусть вы быстро водите ярким угольком на фоне темного неба, играетесь лучом фонарика, рисуя линии, либо крутите трехцветное колесо из предыдущего примера — все сводится к тому, что мозг (или наше восприятие) суммирует сразу несколько последовательных событий в одно. Но одним суммированием все представленное выше объяснить нельзя. Конечно, можно сказать, что эффект колеса Бенхэма — это просто ошибка восприятия:), как это многие и делают, но тут есть еще несколько интересных моментов, приоткрывающих завесу.

Например, как быть с англо-австрийским вариантом, когда колесо, вращаясь в одну сторону, дает синий, а в другую — красный? А есть ли какой- нибудь подобный эффект, уже описанный ранее? Конечно! И даже известно кем — Иоганном Кристианом Андреасом Доплером (до сих пор непонятно, почему фамилию Doppler по-русски пишут с одним "п", но это уже другой эффект — перевода). Но это точка зрения вашего покорного слуги.

Ведь в Интернете вы можете найти еще ряд объяснений, причем достаточно давних, одно из них заключается в том, что происходит определенного рода расстройство, схожее по принципам воздействия некоторых сильнодействующих наркотических средств. Но со звездами астрономы наблюдают нечто схожее, и нет большой уверенности в том, что все они сидят на ЛСД:).

Вообще в физике, как и в физиологии, есть множество белых пятен и нестыковок. На современного обывателя наваливается сразу несколько точек зрения на один и тот же процесс, и некоторые из этих точек зрения являются априори устаревшими. В школе свет проходят одновременно и как волновое, и как квантовое явление. Если уже говорить прямо, то и геометрию делят на "обычную" и "неевклидову". Очень много неизвестного часто объясняют просто искривлением пространства или искривлением времени. То есть в науке есть еще много нераскрытого, возможно, ломающего современные представления.

Сам эффект колеса Бенхэма настолько интересен, что вы и сами можете попытаться найти ему свое собственное объяснение.

Успехов!

Примечание: Для тех, кто будет программировать в Flash, но не совсем освоил ActionScript и основные технологии этой среды, укажем следующее:
1. Нарисованный диск можно сгруппировать и сделать из него единый элемент MovieClip (выделяем мышью -> F8 -> MovieClip).
2. Для поворота нашего MovieClip'а в коде используем свойство rotate, в котором указывается угол поворота в градусах.
3. Для временных циклических событий можно использовать два метода: onEnterFrame (обновление каждого кадра) либо setInterval (счетчик, который вызывает определенную функцию через указанный интервал времени).

Кристофер christopher@tut.by

© Компьютерная газета

полезные ссылки
Ремонт ноутбуков в центре Минска