Beynimizin gizli renk düzeltmesi: renk sabitliği

Kısa cevap

Gözümüze gelen ışık, nesnenin rengine ve ona düşen ışığın rengine birlikte bağlıdır; buna rağmen bir elmayı öğle güneşinde de akkor lambanın altında da kırmızı görürüz. Beyin bunu, nesneleri tek tek değil çevreleriyle karşılaştırarak ve sahneyi aydınlatan ışığı tahmin edip hesaptan çıkararak yapar. Kamera ise sahneyi anlamaz, tanıdık nesneleri bilmez ve her pikseli tek başına kaydeder; bu yüzden aynı düzeltmeyi ancak basit varsayımlarla ve daha sık yanılarak yapabilir.

Gelen ışık neden yetmez?

Bir yüzeyden gözünüze gelen ışığın bileşimi iki şeyin çarpımıdır: yüzeyin hangi dalga boylarını ne oranda yansıttığı ve yüzeye düşen ışığın hangi dalga boylarını ne kadar taşıdığı. Öğlen beyaz bir kâğıt, akşam akkor lambanın altındaki beyaz bir kâğıttan çok daha fazla mavi ışık yansıtır. Gözünüze ulaşan ışık iki durumda belirgin biçimde farklıdır.

Buna rağmen kâğıt iki durumda da beyaz görünür. Edwin Land ve John McCann, 1971'de yayımladıkları makaleye tam bu gözlemle başlarlar: renk duyumları yansıtmayla güçlü bir ilişki gösterir, oysa göze ulaşan ışık miktarı yansıtma ile aydınlatmanın çarpımına bağlıdır. Görsel sistem bu sonuca, ışık miktarını ölçmeyen bir yöntemle ulaşıyor olmalıdır.

Beynin nesnelerin rengini aydınlatmadan bağımsız görme eğilimine renk sabitliği denir; elbise fotoğrafının neden ikiye böldüğünü anlatan KE-03 bu kavramla tanıştırmıştı. Burada mekanizmasına ve sınırlarına bakıyoruz.

Land'in Mondrian deneyleri

Polaroid'in kurucusu Edwin Land, 1950'lerin sonundan başlayarak renk görmesi üzerine uzun bir deney dizisi yürüttü. En ünlüleri, ressam Piet Mondrian'ın tablolarını andırdığı için "Mondrian" adı verilen panolarla yapılanlardır: onlarca farklı renkte mat kâğıttan oluşan, dikdörtgenlerle bölünmüş bir yüzey.

Land bu panoyu üç ayrı projektörle aydınlattı; her biri yalnız dar bir dalga boyu bandında, uzun, orta ya da kısa dalgada ışık veriyordu. Önce panodaki bir kâğıttan, örneğin beyaz görünen bir dikdörtgenden göze gelen üç bant enerjisini ölçtü. Sonra projektörlerin şiddetlerini değiştirerek, bambaşka renkteki başka bir kâğıttan, örneğin yeşil görünen bir dikdörtgenden göze tam aynı üç enerji gelecek biçimde aydınlatmayı yeniden ayarladı. Fiziksel olarak iki kâğıttan göze gelen ışık artık aynıydı. Gözlemciler ise yeşil kâğıdı yine yeşil gördü. Rengi belirleyen, o noktadan gelen ışık değil, o noktanın çevresiyle ilişkisiydi.

Land bu sonuçları 1977'de Scientific American'da genel okura anlattı. Önerdiği açıklama retinex kuramıydı: adı retina ile beyin kabuğunu, yani korteksi birleştirir, çünkü Land hesabın nerede yapıldığından emin değildi.

Kuramın özü şudur: her koni kanalı için, bir yüzeyin o kanaldaki açıklığı, komşu yüzeylerle yapılan oranlar zinciri üzerinden, sahnedeki en parlak yüzeye göre hesaplanır. Aydınlatma bütün yüzeyleri aynı oranda etkilediği için bu oranlarda birbirini götürür. Böylece yeşil kâğıt, göze gelen mutlak ışık ne olursa olsun, orta dalga kanalında komşularından görece parlak, öbür kanallarda görece koyu kalır ve yeşil görünür.

Beyin ışığı nasıl tahmin eder?

Retinex bir açıklamaydı, ama tek açıklama değildir. Sonraki araştırmalar, beynin aydınlatma tahmini için birden fazla ipucunu bir arada kullandığını gösterdi.

Birinci ipucu retinanın kendisindedir. Uzun süre sıcak bir ışığın altında kalan koniler, bol aldıkları uzun dalga ışığa karşı duyarlılıklarını azaltır; bu, ışığın etkisini kısmen kendiliğinden dengeler.

İkinci ipucu karşılaştırmadır; retinexin söylediği gibi, bir yüzeyin rengi komşularıyla ilişkisine göre değerlendirilir. Üçüncüsü, sahnenin kendisinden gelen ipuçlarıdır: parlak yüzeylerdeki yansımalar ışığın rengini doğrudan gösterir, gölgelerin rengi ikinci bir ışık kaynağını haber verir. Dördüncüsü bilgidir: muzun sarı, yaprağın yeşil, bir tanıdığınızın teninin nasıl bir renk olduğunu bilirsiniz ve bu bilgi tahmine yardım eder.

Bu ipuçlarının gücü, çevre değiştirildiğinde görünür. Lotto ve Purves'in 2002'de yayımladığı ünlü bir görselde, renkli karelerden oluşan iki küp yan yana durur; biri mavimsi, öbürü sarımsı bir ışık altındaymış gibi çizilmiştir. İki küpün üst yüzündeki birer kare, piksel değerleri bakımından tamamen aynı gridir. Mavi ışıklı küpte gri kare sarımsı, sarı ışıklı küpte mavimsi görünür. Beyin her küpte tahmin ettiği ışığı hesaptan çıkarır ve aynı gri, iki farklı renge dönüşür.

Sabitlik ne kadar tam?

Renk sabitliği güçlüdür ama tam değildir. Araştırmacılar bunu ölçmek için bir sabitlik endeksi kullanır: gözlemcinin ayarladığı renk, ışığın etkisini tamamen hesaptan çıkarmış mükemmel bir gözlemcinin seçeceği renkle karşılaştırılır.

Manchester Üniversitesi'nden David Foster'ın 2011'de yayımladığı kapsamlı derleme bu ölçümleri bir araya getirir. Doğal sahnelerin görüntüleriyle yapılan bir çalışmada, ortalama endeks sahneye ve ışık değişimine göre 0,60 ile 0,97 arasında değişmiştir. Başka bir deneyde, test yüzeyinin etrafındaki arka plan küçültülüp yalnız görüş alanının kenarında bırakıldığında ölçülen sabitlik yaklaşık 0,99'dan 0,49'a düşmüştür. Yani sabitlik, sahnede ne kadar bilgi olduğuna bağlıdır.

Sabitliğin çöktüğü durumlar da bilinir. Işık çok dar bir dalga boyu bandındaysa, KE-01'deki sodyum lambası örneğinde olduğu gibi, yüzeyler arasında karşılaştırılacak renk bilgisi kalmaz. Sahne karanlık ya da ipuçları zayıfsa, elbise fotoğrafında olduğu gibi, beyin iki farklı ışık tahmini arasında kalabilir. Yüzey tek başına, karanlık bir zeminde, çevresiz gösterilirse sabitlik büyük ölçüde kaybolur.

Kameralar neden kendiliğinden düzeltemez?

Kartın sorusunun cevabı, beynin kullandığı bu ipuçlarının kamerada bulunmamasıdır. Kamera sensörü her pikseldeki ışığı ölçer ama sahneyi anlamaz. Hangi yüzeyin beyaz bir duvar, hangisinin turuncu bir perde olduğunu bilmez; tanıdık nesnelerin rengini hatırlamaz; üç boyutlu yapıdan, gölgelerden ve parlamalardan beyin kadar zengin bir ışık tahmini çıkaramaz. Ayrıca bir fotoğraf daha sonra, çekildiği ortamdan başka bir ortamda görüntülenir; izleyicinin kendi sabitliği o fotoğrafın ışığına göre değil, bulunduğu odanın ışığına göre çalışır.

Kameralar bu yüzden otomatik beyaz dengesiyle beyni taklit etmeye çalışır: sahnenin ortalamasının gri olduğunu varsaymak gibi basit kurallar ya da görüntü tanıma kullanır. Bu yöntemlerin nasıl çalıştığı ve nerede yanıldığı FS-01'in konusudur; aşağıdaki örnek, aynı farkın gündelik bir akşamda nasıl göründüğünü anlatıyor. Günümüzün en gelişmiş algoritmaları da temelde aynı zorlukla uğraşır: yalnız yansıyan ışığa bakarak ışığı ve yüzeyi birbirinden ayırmak, tek başına kesin çözümü olmayan bir problemdir.

Örnek — iki ışıkta aynı yüz

Bir arkadaşınızla önce öğlen bir kafenin pencere kenarında, sonra akşam sıcak ampullerle aydınlatılmış bir restoranda buluşuyorsunuz. İki ortamda da onun teni size aynı görünür. Oysa gözünüze gelen ışık iki ortamda çok farklıdır: restoranda ten, pencere ışığına göre belirgin biçimde daha turuncu ışık yansıtır.

Beyniniz bunu birkaç yoldan dengeler: sıcak ışığa uyum sağlar, masanın beyaz örtüsünü ve duvarları karşılaştırma yüzeyi olarak kullanır ve arkadaşınızın yüzünü zaten tanıdığı için beklentisini de hesaba katar. Bu düzeltme, ten hangi renkte, hangi koyulukta ve hangi alt tonda olursa olsun işler.

Aynı iki ortamda telefonla çektiğiniz fotoğraflar ise farklı görünür. Kamera restorandaki ışığı tam hesaptan çıkaramazsa ten turuncuya kayar. Üstelik fotoğrafa daha sonra başka bir ortamda, örneğin gündüz bir ekrandan baktığınızda beyniniz artık restoranın ışığına uyum sağlamış değildir; restoranın ipuçları küçük bir çerçevenin içinde kalmıştır. Bu yüzden fotoğraftaki kayma, masada fark etmediğiniz bir kayma olarak göze çarpar.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Göze gelen ışık yüzeyin yansıtmasına ve aydınlatmanın rengine birlikte bağlıdır; renk sabitliği, beynin aydınlatmayı hesaptan çıkarıp yüzeyi görme eğilimidir.
2. Land'in Mondrian deneyleri, göze aynı ışığı gönderen iki yüzeyin çevreleri sayesinde farklı renkte görülebildiğini gösterdi; retinex kuramı rengi, her koni kanalında komşularla yapılan açıklık karşılaştırmalarından türetir.
3. Sabitlik kromatik uyum, karşılaştırma, sahne ipuçları ve bilgiyle sağlanır, ama tam değildir; kamera sahneyi anlamadığı ve fotoğraf başka bir ortamda görüldüğü için bu düzeltmeyi kendiliğinden yapamaz.

Kendini sına

1. (Kolay) Gözümüze bir yüzeyden gelen ışık hangi iki şeye bağlıdır?
2. (Kolay) Sabitlik endeksinde 1 değeri neyi gösterir?
3. (Orta) Kameralar neden bu düzeltmeyi kendiliğinden yapamaz?
4. (Orta) Mondrian deneyinde gözlemcilerin yeşil kâğıdı yine yeşil görmesi neyi kanıtlar?
5. (Zor) Lotto ve Purves'in küp görselinde aynı gri kare neden iki küpte farklı renkte görünür?
6. (Zor) Restoranda fark etmediğiniz turuncu kayma, fotoğrafa gündüz baktığınızda neden göze çarpar?

Cevaplar

1. Yüzeyin hangi dalga boylarını ne oranda yansıttığına ve yüzeye düşen ışığın bileşimine; göze gelen ışık bu ikisinin çarpımıdır («Gelen ışık neden yetmez?»).
2. Mükemmel sabitliği; gözlemcinin, aydınlatmayı tamamen hesaptan çıkarmış bir gözlemcinin seçeceği rengi seçtiğini gösterir («Sabitlik ne kadar tam?»).
3. Kamera her pikseldeki ışığı ölçer ama sahneyi anlamaz; tanıdık nesnelerin rengini bilmez, gölgelerden ve üç boyutlu yapıdan beyin kadar zengin bir ışık tahmini çıkaramaz. Ayrıca fotoğraf başka bir ortamda görüntülenir ve izleyicinin sabitliği o ortamın ışığına göre çalışır («Kameralar neden kendiliğinden düzeltemez?»).
4. Rengin, bir noktadan göze gelen ışıktan değil, o noktanın çevresiyle ilişkisinden belirlendiğini; iki kâğıttan göze gelen ışık fiziksel olarak aynı olsa bile farklı renkte görülebildiklerini («Land'in Mondrian deneyleri»).
5. İki küp farklı renkte ışık altındaymış gibi çizilmiştir; beyin her küpte tahmin ettiği ışığı hesaptan çıkarır. Mavi ışık çıkarılınca gri sarımsı, sarı ışık çıkarılınca mavimsi kalır («Beyin ışığı nasıl tahmin eder?»).
6. Restoranda beyniniz sıcak ışığa uyum sağlamış ve çevredeki yüzeyleri karşılaştırma için kullanıyordu. Gündüz fotoğrafa bakarken artık o ışığa uyumlu değilsiniz ve restoranın ipuçları küçük bir çerçevede kalır, bu yüzden kayma görünür olur («Örnek — iki ışıkta aynı yüz»).

Kaynaklar

• Land, E. H. ve McCann, J. J., «Lightness and Retinex Theory», Journal of the Optical Society of America 61(1): 1–11, 1971.
• Land, E. H., «The Retinex Theory of Color Vision», Scientific American 237(6), 1977.
• Foster, D. H., «Color constancy», Vision Research 51(7): 674–700, 2011.
• Lotto, R. B. ve Purves, D., «The empirical basis of color perception», Consciousness and Cognition, 2002.

Sonraki adım

BI-14 bu dersin hesabının yanıldığı yerleri topluyor: bakıştan sonra ters renkte kalan bayrak görüntüsünü, gölgedeki satranç tahtasında aynı gri karelerin farklı görünmesini ve renkli gölgeleri. BI-19 ise algıyı ölçüye çeviriyor: renkleri gözün gördüğü farklara göre düzenleme hedefiyle kurulan CIELAB uzayını, açıklık, kroma ve ton açısı kavramlarıyla anlatıyor.