Ваш мозг — обманщик: как зрение и камеры искажают цвета реальности

Эволюция зрения: почему мы видим то, что видим

Знакомьтесь: Лука (Last Universal Common Ancestor) — последний общий универсальный предок, наш пра‑пра‑пра‑дедушка до бесконечности. Лука жил более 4 млрд лет назад, и, разумеется, его фотографий не сохранилось. Мы не знаем, как он выглядел, да он и сам этого не знал: у него не было рецепторов в современном понимании.

Лука ничего не видел и не чувствовал, но в процессе эволюции его место заняли более «осмотрительные» организмы. Для выживания в мире, где тебя всё время кто‑то пытается съесть, разные существа развили разные сигнальные системы. Летучие мыши научились «видеть звук» с помощью эхолокации. Собаки прокачали обоняние. А люди сделали ставку на датчики электромагнитного излучения — глаза.

И надо сказать, ставка оказалась удачной. У людей действительно очень хорошее зрение. Мы видим детали примерно в 6–7 раз лучше, чем кошки, собаки и подавляющее большинство других существ. По остроте зрения люди уступают только специализированным хищным птицам — орлам или совам. Кроме того, мы отлично различаем цвета, и это наша эксклюзивная фишка среди млекопитающих. Большинство из них — дихроматы, то есть различают только два базовых цвета. А мы, люди, и приматы Старого Света — трихроматы, мы видим и отличаем три базовых цвета. Да, ночью мы видим не очень хорошо, но днём развитое зрение даёт нам массу преимуществ: легче искать пищу, отличать спелые плоды от незрелых, замечать хищников. Мы видим, что тигр в кустах оранжевый, а олень — нет. И так как мы животные социальные, цветное зрение позволяет лучше распознавать эмоции и состояние здоровья сородичей с подозрительно бледным, жёлтым или, не дай бог, зелёным оттенком кожи.

Парадокс: отличное зрение постоянно врёт

И вот тут возникает главный парадокс. Наше невероятно прокачанное зрение постоянно нам врёт. И на то есть несколько причин.

Во‑первых, потому что наши глаза — плохие датчики. Глаз — это детектор электромагнитного излучения, но видит он далеко не всё. Он не видит Wi‑Fi (потому что это микроволны), не видит инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Он видит только очень узкий срез спектра — с длиной волны от 380 до 780 нм. Мы называем это видимым светом.

Но почему он вообще цветной? Потому что на сетчатке у нас есть палочки и колбочки. Палочки отвечают за ночное зрение, они очень чувствительные, но цвета не различают. А вот колбочки — да. Их три типа: S (short), M (medium) и L (long). Почти как размеры одежды. S‑колбочки реагируют на короткие волны — те, что мы воспринимаем как синие оттенки. M‑колбочки — на средние, в основном зелёные и жёлтые тона. L‑колбочки — на длинные волны, преимущественно жёлтых и красных оттенков. Именно L‑колбочки позволяют нам видеть тигра в траве, за что им огромное спасибо.

Но вот беда. Распределение колбочек по спектру далеко от оптимального. Зоны их чувствительности очень широкие и сильно пересекаются между собой. Если взглянуть на пересечение M‑ и L‑колбочек, вообще становится непонятно, каким образом мы в принципе отличаем жёлтые и зелёные цвета. И ответ вас не порадует: по контексту, так сказать, «на глаз».

Вот вам парадокс: хорошие датчики — не залог успеха. У раков‑богомолов, например, есть целых  12–16 типов колбочек , они очень быстро классифицируют цвета — понимают, что эти цвета отличаются. Но понять, что это за цвет, они не могут, ведь для этого одних глаз недостаточно. Нужен ещё мощный мозг.

Цвета не существует (в том смысле, который вы думаете)

Думаю, для вас не секрет, что у большинства предметов нет своего цвета. Потому что они не излучают свет, они лишь поглощают или отражают его. Допустим, мы смотрим на красную розу. Почему она красная? Потому что от её лепестков отразился преимущественно диапазон волн красного спектра, а остальные поглотились. И получается: если мы посветим на розу исключительно синим светом, мы просто физически не сможем увидеть красный цвет. Так ведь? Или сможем?

На самом деле сможем. На изображении, где вообще нет красного цвета — только оттенки синего, — мы всё равно понимаем, что роза красная. Это свойство человеческого восприятия называется  цветовым постоянством . Чтобы не сходить с ума от того, что всё вокруг постоянно меняет цвет в зависимости от времени суток или источника освещения, мозг придумал хитрую схему: в любой ситуации додумывать, как бы выглядел этот объект при идеальных для нашего зрения условиях — днём при солнечном свете.

История, расколовшая интернет: платье, которого никто не видел одинаково

Вспомните знаменитое платье, которое в своё время разделило интернет на два лагеря. Одни видели его сине‑чёрным, другие — бело‑золотым. Это классическая проблема определения баланса белого. У одной группы людей мозг решил, что освещение в сцене было тёплым, и компенсировал его в холодную сторону — они увидели сине‑чёрное платье. У других мозг посчитал, что свет был холодным, и платье превратилось в бело‑золотое. Из‑за отсутствия дополнительного контекста эта задача оказалась для человека практически нерешаемой.

Смартфоны: те же яйца, только в профиль

Технология смартфонов устроена очень похоже на человеческий глаз. В матрице камеры, как и на сетчатке, есть светочувствительные элементы — фотодиоды. Каждый из них, как и наши палочки с колбочками, регистрирует количество попавших на него фотонов. Но есть одно отличие: фотодиод сам по себе не различает цвета. Поэтому перед каждым фотодиодом ставят крошечный цветной светофильтр, который отсекает лишний спектр и оставляет нужный. Чаще всего используется схема RGGB (так называемая  матрица Байера ). Благодаря этим фильтрам каждый фотодиод становится восприимчив только к конкретным цветам — по сути, повторяет функцию колбочек в глазу. А сигнальный процессор (ISP), как и человеческий мозг, обрабатывает сырые данные, пытаясь их интерпретировать.

Такие традиционные матрицы сталкиваются с той же проблемой, что и человек: нужно как‑то определить баланс белого. Для этого тоже нужен контекст. В ход идёт всё: алгоритмы машинного обучения, поиск объектов с известными оттенками (лица, фирменные цвета брендов), даже время суток и геолокация. В общем, всё это — игра в угадайку. Все алгоритмы ошибаются и не могут конкурировать с человеком, у которого и «нейронка» получше натренирована, и датчиков для сбора контекста побольше.

Что такое «правильный» баланс белого и существует ли он?

Если рассуждать технически, идеальный баланс белого существует. Современные мультиспектральные датчики (которые поддерживают до 1,5 млн спектральных и девять цветовых каналов вместо традиционных трёх) могут его определять с высокой точностью. Проблема в том, что людям этот «правильный» вариант часто не нравится. Мы привыкли, что закаты должны быть оранжевыми, а лица — розовыми. Идеально нейтральные, клинически точные цвета кажутся нам неестественными, холодными и безжизненными.

Поэтому производители смартфонов настраивают баланс белого не под физическую точность, а под предпочтения большинства. Есть любители тёплых оттенков, есть фанаты холодных, есть поклонники насыщенных цветов. И поскольку смартфоны делают для массового рынка, баланс белого часто сдвигают в ту сторону, которая нравится большинству людей. В любом случае, цвет — это иллюзия, которую пытается воссоздать либо наш мозг, либо камера смартфона. Так почему бы этой иллюзии не оставаться хотя бы приятной?