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Capitolo 3

Le traduzioni che potrete trovare su questo sito sono unicamente destinate ad uso interno per il corso di Psicologia della Percezione dell'Università degli studi di Trieste. Nascono con l'intento di fornire un ausilio a quegli studenti che non hanno molta dimestichezza con la lingua inglese. Le traduzioni sono opera degli stessi studenti del corso di Psicologia della Percezione 1999 - 2000. Nell'utilizzo di questo materiale va tenuto conto che la correttezza dello stesso va verificata confrontando le traduzioni con il testo originale. Per ulteriori domande, clicca qui.

LA VISIONE DEL COLORE: UN MICROCOSMO DELLA SCIENZA DELLA VISIONE

Il colore è uno degli aspetti più affascinanti e caratteristici della percezione. Esso fornisce una varietà di esperienze qualitativamente diverse da ogni altra proprietà e non disponibili in altre modalità sensoriali. Gli oggetti fisici e le sorgenti luminose hanno la proprietà, quasi miracolosa, di apparire colorati. Non è ovvio perché debba essere così; semplicemente è così. In genere le persone credono che gli oggetti appaiono colorati perché sono colorati proprio come noi li percepiamo: il cielo appare blu perché è blu, l'erba appare verde perché è verde, il sangue appare rosso perché è rosso.
Per quanto possa sembrare sorprendente, queste credenze sono fondamentalmente errate. In effetti, né gli oggetti né le luci [sorgenti luminose] sono "colorati". Piuttosto, il colore è una proprietà psicologica delle nostre esperienze visive, ottenute osservando gli oggetti e le luci, non una proprietà fisica di questi oggetti o luci. Di certo, i colori che vediamo sono basati su alcune proprietà fisiche [degli oggetti e delle luci] le quali fanno sì che li vediamo colorati, ma queste proprietà fisiche sono molto differenti dal colore che percepiamo. Si può comprendere meglio il colore se lo si concepisce come il risultato della complessa interazione tra la luce disponibile nell'ambiente fisico e il nostro sistema visivo. Capire come ciò accada richiederà un gran numero di spiegazioni. Ma ne vale la pena, perché certi aspetti della percezione del colore sono tra gli argomenti meglio capiti della scienza della visione, e forse di tutta la scienza cognitiva. Noi ora sappiamo tanto su come avviene la percezione del colore, dalla fisica della luce alla sensibilità dei recettori retinici, fino a come le persone di culture differenti nominano il colore delle superfici.
Con questo non si vuole affermare che noi ora sappiamo tutto circa la percezione del colore, perché certamente non è così. Ma sappiamo di più su questo dominio che su altri, al punto che esso ci servirà come modello di riferimento per capire perché è utile un approccio interdisciplinare ai vari aspetti della visione. Pezzi importanti del mosaico di problemi scientifici sul colore provengono dalla fisica, dalla psicologia, dalla fisiologia, dall'informatica, dalla linguistica, dalla genetica e dall'antropologia. Se percezione e denominazione del colore forniscono un buon modello di ciò che è necessario per capire un dominio della cognizione, allora vuol dire che la scienza cognitiva è davvero un'impresa molto ampia e "integrativa" [cioè, che richiede l'integrazione di contributi di varie discipline].
Il processo grazie al quale gli studiosi della visione sono arrivati a capire la percezione del colore è istruttivo anche da un punto di vista storico. Esso ben illustra il modo in cui le scoperte scientifiche si sono succedute, fino a produrre una teoria coerente di un dominio percettivo complesso. All'inizio venne scoperto un corpo di fatti fondamentali, che richiedevano una spiegazione. Venne proposta una teoria per spiegare alcuni di questi fatti; una teoria alternativa per spiegarne altri; e si aprì un acceso dibattito tra i sostenitori delle due teorie. Infine queste dispute vennero risolte attraverso un'integrazione teorica, poi confermata da ulteriori prove empiriche. Pertanto, la trattazione del colore ripercorrerà in ordine cronologico l'interessante storia di come si sia sviluppata la nostra conoscenza dell'argomento.
Il presente capitolo è strutturato in accordo con i principi metateoretici descritti nel capitolo 2. Cominceremo con un'analisi del problema computazionale della percezione del colore. Prima di tutto esamineremo l'informazione in entrata, cioè la luce come la descriverebbe un fisico. Poi l'informazione in uscita, cioè l'esperienza del colore come la descriverebbe uno psicologo. Quindi esamineremo la natura della relazione tra i due termini: cioè la corrispondenza tra il dominio fisico della luce e il dominio psicologico del colore percepito.
Completata l'analisi del problema computazionale, ci sposteremo al livello algoritmico, parlando delle operazioni che mappano l'energia luminosa nell'esperienza del colore. I tre principali stadi di elaborazione del colore, trattati nel capitolo, sono definibili così: uno stadio basato sulle immagini, uno stadio basato sulle superfici e uno stadio basato sulle categorie. Uno stadio basato sugli oggetti non è necessario perché il colore è una proprietà percepita delle superfici piuttosto che dei volumi [affermazione incauta: già Katz parlava di colori "diafanici" o filmari (caratteristici degli strati trasparenti) e dei colori "di volume"].
All'interno di questi stadi, analizzeremo gli algoritmi di elaborazione del colore mediante l'approccio della "scomposizione ricorsiva" (cap. 2, p. 74), andando alla ricerca delle descrizioni a un livello più basso. In alcuni casi parleremo in dettaglio del rapporto tra l'analisi funzionale e l'implementazione dell'algoritmo, implementazione che si realizza nei meccanismi fisiologici sottostanti l'elaborazione del colore, localizzati nelle strutture neurali dell'occhio e del cervello. Ciò è vero soprattutto per i processi basati sulle immagini, come descritto nella sezione 3.2. Per quanto concerne i processi basati sulle superfici e quelli basati sulle categorie (sezioni 3.3 e 3.4), la nostra comprensione del sistema nervoso non è ancora abbastanza completa da permetterci di stabilire i rapporti con le analisi funzionali astratte [relative all'elaborazione delle informazioni]. Stabilire queste connessioni richiederà un gran numero di ricerche ulteriori.

3.1 LA DESCRIZIONE COMPUTAZIONALE DELLA PERCEZIONE DEL COLORE

Secondo Marr (1982), per comprendere un qualunque sistema complesso che elabora informazione è meglio partire dal livello computazionale, descrivendo l'input, l'output e i principi sottostanti il mappaggio dall'input all'output. Nel caso della percezione del colore, l'input è la luce riflessa verso l'occhio dalle superfici ambientali, l'output sono le esperienze di colore che emergono quando un osservatore guarda tali superfici, e il mappaggio è la corrispondenza psicofisica tra input e output. Questa sezione contiene una descrizione computazionale semplificata di alcuni aspetti della percezione del colore. Nelle sezioni successive esamineremo gli aspetti algoritmici e implementativi.

3.1.1 La descrizione fisica della luce

Il primo grande passo in avanti nella comprensione della visione del colore fu fatto nel 1666 dal grande fisico inglese Isaac Newton con la scoperta che la luce solare "bianca" (non colorata) contiene in realtà molte componenti separate che, una per una, producono differenti esperienze di colore. Newton fece un piccolo buco nelle imposte del suo laboratorio e vi collocò un prisma triangolare di vetro. Quando un fascio di luce passa attraverso il prisma e cade su una superficie bianca, appare un arcobaleno di differenti colori (Figura 3.1.1). Newton poi focalizzò l'arcobaleno di luci nuovamente su un singolo raggio usando altri prismi e osservò che la ricombinazione successiva produceva la luce bianca. Sulla base di queste e altre osservazioni sistematiche, Newton teorizzò che la luce solare era in realtà composta da molti differenti colori di luce piuttosto che uno solo. Egli ancora si rese conto che i colori non erano nella luce stessa ma nell'effetto della luce sul sistema visivo, come afferma eloquentemente la seguente citazione:

"Propriamente parlando, i raggi non sono colorati. In essi non c'è niente altro che un certo potere e disposizione a dare la sensazione di questo o quel colore… Quindi i colori negli oggetti non sono altro che una disposizione a riflettere questa o quella sorta di raggi più delle altre."

Le scoperte di Newton sono state i primi fondamentali insight [non va tradotto: sta per "comprensione profonda di tipo intuitivo, caratteristica della scoperta scientifica ottenuta per ristrutturazione cognitiva"] sulle proprietà fisiche della luce che producono la visione del colore, ma da allora sono stati compiti molti progressi. Come detto nel capitolo 1, ora sappiamo che la luce visibile è composta da piccole unità indivisibili, i fotoni, i quali si comportano come particelle per certi aspetti e come onde per altri. In molte altre parti di questo libro, il comportamento particellare dei fotoni è più importante; ma per la visione del colore, importa di più il loro comportamento ondulatorio. Un fotone è un piccolo pacchetto di energia elettromagnetica caratterizzato da una proprietà della sua propagazione di tipo ondulatorio: la lunghezza d'onda. Le lunghezze d'onda dei fotoni vengono misurate in unità di distanza, da quelle estremamente piccole (10-14 m) a quelle estremamente grandi (migliaia di km). I fotoni che sperimentiamo come luce visibile coprono appena una piccola porzione di questo spettro elettromagnetico, come illustrato nella Color Plate 3.1. In effetti il sistema visivo è sensibile solo ai fotoni con lunghezze d'onda tra circa 400 e 700 nanometri (1 nm= 10-9 m). I raggi X, le microonde, le radio e le onde TV sono soltanto una parte di questo spettro (cfr. Color Plate 3.1), ma nessuno dei nostri organi sensoriali risponde ai fotoni al di fuori della scala 400-700 nm. Come risultato, noi non possiamo percepirli senza l'aiuto di complessi strumenti - come le macchine a raggi X, gli apparecchi tv o radio - che convertono tali segnali in luce visibile o suoni udibili.
Dal punto di vista fisico, una porzione uniforme di luce visibile è descrivibile specificando il numero di fotoni trasmessi (per unità di tempo) in corrispondenza di ciascuna lunghezza d'onda nell'intervallo 400-700 nm. Questa descrizione può essere rappresentata come diagramma spettrale (figura 3.1.2). La luce con uno spettro contenente solo una lunghezza d'onda (figura 3.1.2A) viene chiamata monocromatica (mono= uno e croma= colore). Tutte le altre luci sono policromatiche (poli= molti): il loro spettro può contenere una ristretta banda di lunghezze d'onda (figura 3.1.2B) o tutte le lunghezze d'onda visibili (figura 3.1.2C). La luce solare naturale contiene fotoni di tutte le lunghezze d'onda visibili più o meno nella stessa proporzione (figura 3.1.2C), proprio come aveva sostenuto Newton.

3.1.2. La descrizione psicologica del colore

Nella descrizione fisica della luce non si menzionava affatto il colore. Questo perché, come disse Newton, "i raggi … non sono colorati." Il colore diventa rilevante solo quando la luce entra negli occhi di un osservatore fornito di un sistema visivo adatto a produrre quell'esperienza. La situazione ricorda il vecchio puzzle dell'albero che cade nella foresta: produce o no un suono se non c'è nessuno lì ad ascoltarlo? Ci possono essere luci di differente lunghezza d'onda indipendentemente da un osservatore; ma non c'è colore indipendentemente da un osservatore, perché il colore è un fenomeno psicologico che scaturisce solo dentro a un osservatore.
Anche se talvolta i colori sono emessi direttamente da una sorgente luminosa (TV, schermo del computer), noi normalmente esperiamo il colore come proprietà di una superficie. Ciò accade perché un po' della luce emessa dalle sorgenti luminose, come il sole o le lampadine, viene riflessa dalle superfici verso i nostri occhi (vedi sezione 1.2). E' la luce riflessa a consentirci di vedere le superfici che non emettono luce propria, e le loro proprietà. Le superfici appaiono differentemente colorate perché riflettono in modo differente i fotoni delle varie lunghezze d'onda.

Lo spazio del colore. L'esperienza soggettiva dei colori di superficie ha una struttura differente da quella delle luci fisiche. Tutte le superfici colorate sperimentabili da un osservatore normale possono essere descritte in termini di appena tre dimensioni: tinta (hue), saturazione (saturation) e bianchezza (lightness) [come si dirà più avanti, ci sono grossi problemi nell'uso di "chiarezza= brightness" e bianchezza= lightness"]. Tutte insieme, queste dimensioni definiscono lo spazio del colore: un sistema tridimensionale entro i quale ogni possibile esperienza di colore può venire rappresentata come un singolo punto con un'unica posizione (Color Plate 3.2). La gamma completa dei colori effettivamente percepiti dagli osservatori normali occupa un sottospazio, chiamato solido del colore [fuso= spindle], simile a una trottola sbilenca (Color Plate 3.2). Ogni esperienza di colore di superficie può essere collocata in uno specifico punto appartenente a questa porzione dello spazio del colore.
Va notato che il passaggio dalla descrizione fisica della luce alla descrizione psicologica del colore comporta una enorme riduzione di complessità. In via di principio il fisico deve specificare infiniti valori per descrivere lo spettro di una luce data, uno per ogni lunghezza d'onda nel continuum tra 400 e 700 nm. Lo psicologo, invece, può specificare un colore con appena tre valori: uno per la tinta,, uno per la saturazione, e uno per la bianchezza. Questo implica che le esperienze del colore perdono molte (ma non tutte) delle informazioni presente nell'intero spettro. Inoltre implica che molte luci fisicamente diverse (cioè, luci con spettri differenti) possano produrre esattamente la stessa esperienza di colore. Quest'ultimo fatto finisce per essere un'importante proprietà della visione del colore, su cui torneremo quando esamineremo le miscele di colore.
Nel 1905 l'artista e insegnante d'arte Albert Munsell costruì uno spazio del colore a intervalli soggettivamente eguali nelle tre dimensioni H (hue) S (saturation= chroma) V (lightness= value). Il Munsell Book of Color è un atlante standardizzato, pubblicato in due volumi contenenti 1600 campioni accuratamente controllati di superfici lucide colorate. Ogni colore può essere specificato in riferimento al campione Munsell più vicino.
Le condizioni in cui vanno confrontati i campioni di colore debbono essere rigorosamente controllate. Perché il confronto abbia senso, i colori vanno osservati sotto illuminazione standard, o su uno sfondo uniforme grigio medio o attraverso uno schermo di riduzione (un'apertura in uno schermo uniforme grigio). Altrimenti, differenze nel colore dello sfondo e nelle condizioni di illuminazione potranno alterare il colore percepito del campione. Molte persone hanno subito la frustrazione di comperare un abito il cui colore sembrava accettabile sotto le luci fluorescenti del negozio per scoprirlo poi molto diverso alla luce del sole o di una lampada ad incandescenza. Queste complessità sono importanti per una piena comprensione della percezione del colore, ma per semplificare il nostro lavoro le metteremo momentaneamente da parte, per tornanci sopra più avanti, in questo stesso capitolo.

Tinta. La dimensione che noi normalmente associamo con il colore di una superficie è la tinta (hue). Nello spazio del colore, la tinta corrisponde alla direzione dall'asse centrale fino alla posizione del punto che rappresenta un dato colore. Se esaminiamo le tinte delle luci monocromatiche (quelle che contenengono una sola lunghezza d'onda), da quelle più corte a quelle più lunghe, come nell'arcobaleno, vediamo una progressione dal violetto, attraverso il blu, verde, giallo, arancio e rosso. Si potrebbe quindi pensare che la dimensione psicologica della tinta sia simile alla dimensione fisica della lunghezza d'onda. Tuttavia, ci sono alcune importanti differenze.
Se le luci vengono ordinate in funzione della somiglianza fisica, nei termini della corrispondente lunghezza d'onda, esse giacciono su una linea retta, come indicato nel Color Plate 3.1. In termini fisici, le luci delle lunghezze d'onda più corte e più lunghe sono le meno simili. Se invece le luci monocromatiche vengono disposte in base alla loro somiglianza percepita, esse si collocano lungo in cerchio dei colori (Color Plate 3.3). Qui la dimensione della tinta è stata curvata, per cui la lunghezza d'onda più corta (che appare violetta) e quella più lunga (che appare rosso aranciato) sono vicine, conformemente alla loro somiglianza psicologica dovuta alla comune componente rossa. Quindi la dimensione psicologica della tinta e la dimensione fisica della lunghezza d'onda della luce monocromatica sono connesse, ma non sono la stessa cosa. Tra il violetto e il rosso aranciato, sul cerchio dei colori ci sono le cosiddette tinte non spettrali, dal porpora ai magenta ai rossi profondi. Questi colori vengono chiamati "non spettrali" perché non c'è una singola lunghezza d'onda nello spettro visivo (cioè, nessuna luce monocromatica) in grado di produrli. Queste tinte possono essere create soltanto dalla combinazione di due o più lunghezze d'onda.

Saturazione. La seconda dimensione del colore, chiamata saturazione, cattura la "purezza" e "vividezza" del colore percepito. Nello spazio dei colori, ciò corrisponde alla distanza dall'asse centrale alla posizione del punto che rappresenta un dato colore. Tutti gli intensi colori dell'arcobaleno stanno sul margine esterno del cerchio, corrispondente al più alto livello di saturazione. Tutti i grigi stanno lungo l'asse centrale a saturazione zero. I colori pastello, spenti, hanno saturazione intermedia.

Bianchezza. La terza dimensione dello spazio del colore è la bianchezza, corrispondente all'altezza nello spazio del colore (Color Plate 3.2). Tutti i colori di superficie hanno un valore di bianchezza, anche se esso è più ovvio per il colore acromatico (grigio), lungo l'asse centrale, dal nero (in basso) al bianco (in alto).
Il Color Plate 3.3 mostra una sezione obliqua dello spazio del colore in cui si vede come tinta e saturazione si combinino a formare il cerchio dei colori. Il grigio è al centro e i colori più saturi stanno ai bordi. Questa sezione dal solido dei colori è obliqua perché i gialli saturi sono di bianchezza più elevata dei blu e violetti saturi (i rossi e verdi saturi hanno bianchezza intermedia). Tinte su punti opposti del cerchio dei colori vengono chiamate complementari. Se le luci dei colori complementari vengono mischiate in giuste porzioni, esse producono una luce acromatica (non colorata) che apparirà come un dato grigio. Il Color Plate 3.4 mostra una sezione verticale del solido dei colori che illustra come saturazione e bianchezza si combinino per formare i triangoli di colore per il giallo e per il blu. Si noti che i grigi dal nero al bianco formano una banda verticale lungo un lato, in corrispondenza dell'asse centrale dello spazio del colore. Si noti inoltre che i "marrone" sono in realtà sono dei gialli scuri.

Bianchezza e chiarezza. La dimensione della bianchezza riguarda la percezione delle superfici che riflettono la luce piuttosto che emetterla. Questo è il caso usuale nella percezione visiva, dato che solo pochi oggetti, per esempio il sole, le stelle, le lampadine, i monitor TV o del computer emettono luce (in genere non colorata, salvo per i monitor). Per le sorgenti luminose, la dimensione della chiarezza prende il posto della bianchezza.1 Questo perché le sorgenti appaiono più o meno luminose, piuttosto che più vicine al bianco o al nero, come le superfici. Per il resto, lo spazio dei colori per luci emesse e riflesse è essenzialmente lo stesso.

Nota 1 (p. 99). Sfortunatamente il termine chiarezza (brightness) è usato in modo ambiguo. Oltre a indicare il livello di intensità percepita di una sorgente, indica anche il grado di illuminazione di un colore di superficie. Cioe' un colore di superficie con una data tinta, saturazione e bianchezza può apparire più o meno chiaro, a seconda che appaia molto o poco illuminato.

Le dimensioni percepite della bianchezza e della chiarezza sono entrambe dovute largamente al contrasto di una regione con una vicina. Se le due superfici riflettono lo stesso numero di fotoni per unità di tempo, quella circondata da una regione più scura apparirà più chiara e l'altra circondata da una regione più chiara apparirà più scura. Se due superfici emettono la stessa quantità di luce, lo stesso vale per la loro chiarezza. Si consideri il monitor TV. Quando è spento (cioè quando semplicemente riflette la luce di altre fonti ma non emette luce propria) sembra di un grigio medio. Quando è acceso, invece, si vedono dei buoni bianchi e dei buoni neri. I bianchi sono abbastanza semplici da capire (adesso queste regioni emettono fotoni). Ma come fanno certe regioni dello schermo TV ad apparire nere, più scure di quando l'apparecchio è spento? Non può essere perché vengono emessi meno fotoni di primo, perché la TV non emetteva alcun fotone da spenta, e non può emettere "fotoni negativi" per ridurre l'aumentare della luce. Il nero ottenuto con la TV accesa deve dunque dipendere dal contrasto.
L'importanza del contrasto riguarda non solo il nero o il bianco ma tutti gli altri colori. Il marrone è un caso importante, perché esso è la versione scura dell'arancione e del giallo. Questo significa, per esempio, che una regione marrone sul monitor TV o sullo schermo del computer sembrerà arancione o giallo se osservato attraverso un tubo di cartone. Torneremo sullo stesso effetto di contrasto più tardi in questo capitolo.

3.1.3. La corrispondenza psicofisica

Ora che abbiamo una conoscenza di base delle informazioni in entrata e in uscita per la percezione del colore, possiamo chiederci come vengono messe in relazione. Il modo in cui una descrizione fisica "mappa" in una descrizione psicologica viene chiamato corrispondenza psicofisica, e in genere è specificato mediante un'analisi computazionale. Potrebbe essere conveniente se ci fossero delle chiare e semplici corrispondenze tra luce fisica e colore percepito, ma non c'è. Capire come la luce riflessa si trasformi in colore percepito è enormemente complesso e richiede altre informazioni oltre quelle finora considerate. Ne abbiamo abbastanza per cominciare, ma solo se semplifichiamo un po' le cose.
Oltre alle semplificazioni precedenti (osservazione in condizioni standardizzate, sotto una sorgente neutrale e con campioni su uno sfondo grigio), consideriamo solo superfici che riflettono luce con uno spettro ha approssimativamente la forma di una distribuzione normale (a campana, figura 3.1.3). Poche superfici naturali sono descritte da tale distribuzione, che comunque è attraente perché è definita da appena tre parametri: il loro valore centrale (media), la loro area e la loro larghezza (varianza) [ma sarebbe giusto deviazione standard]. La relazione tra questi parametri e le tre dimensioni del colore percepito è particolarmente semplice.
Per le distribuzioni spettrali approssimativamente normali valgono tre semplici corrispondenze psicofisiche:

1. La lunghezza d'onda media determina la tinta (figura 3.1.3A). Abbiamo già considerato la relazione tra tinta e lunghezza d'onda per le luci monocromatiche. Una luce policromatica con uno spettro distribuito normalmente apparirà con una tinta essenzialmente identica a quella di una luce monocromatica con lunghezza d'onda corrispondente al picco (o moda della distribuzione). Dire che questa luce monocromatica avrà la stessa tinta della luce policromatica non implica che esse sembreranno identiche, perché esse potrebbero essere differenti per bianchezza (o chiarezza) oppure per saturazione. E' importante anche capire che certe tinte (in particolare il porpora) non possono essere prodotte da uno spettro normale, ma di questo motivo parleremo più avanti.

2. L'area spettrale determina la bianchezza (figura 3.1.3B). Questo non dovrebbe sembrare troppo sorprendente, perché l'area sotto la curva spettrale corrisponde al numero totale di fotoni (per unità di tempo) che colpiscono la retina. Le aree ampie corrispondono a luci brillanti o a superfici vicine al bianco, e le aree piccole a luci pallide e a superfici vicine al nero.2

Nota 2. Non conta la quantità assoluta di fotoni ma il rapporto tra l'intensità della regione e quella dello sfondo. Ma se tutti i campioni di colore vengono visti contro lo stesso sfondo, non fa differenza.

3. La varianza determina la saturazione. (figura 3.1.3C) [attenzione perché high, medium, low nella figura si riferiscono alla saturazione e non alla varianza, che è opposta: bassa varianza= alta saturazione]. Abbiamo già visto che una luce monocromatica, con uno spettro a varianza zero, è satura mentre lo spettro della luce del sole "bianca", la meno satur , ha la varianza massima (uno spettro quasi uniforme).

Quindi, se la luce riflessa ha uno spettro normale, la corrispondenza psicofisica è abbastanza regolare. Tuttava le cose diventano più complicate se ci si allontana dalla distribuzione normale. Altri fattori determinano la percezione del colore di oggetti reali in condizioni reali. Come si vedrà nel capitolo 3.3, non si può predire la percezione del colore di una superficie semplicemente dalla conoscenza dello spettro della luce riflessa. Entrano altri fattori tra cui la natura delle superfici circostanti, le condizioni di illuminazione, l'inclinazione della superficie rispetto all'illuminazione, la distribuzione spaziale in profondità, le ombre proiettate da altri oggetti. Ognuno di questi può avere un effetto sostanziale sulla percezione del colore (sezione 3.3).

3.2. L'elaborazione del colore a livello dell'immagine

Non è detto che abbia senso parlare di colore "a livello dell'immagine". Comunque possiamo pensare ai colori visti su una superficie bidimensionale frontale omogeneamente illuminata, quando non entrano in gioco altre complicazioni.
Queste condizioni di osservazione corrispondono alle macchie omogenee di luce colorata viste attraverso lo schermo (o tubo) di riduzione: un schermo che elimina ogni cosa dal campo visivo eccetto il campione di colore. Queste condizioni producono un fenomeno chiamato colore di apertura o filmare (perché il colore appare come una sottile pellicola nell'apertura dello schermo). Ai fini di questa discussione, assumeremo che la percezione del colore in queste condizioni ridotte rifletta essenzialmente processi a livello dell'immagine.

3.2.1. Fenomeni base

La nostra comprensione della visione del colore a livello dell'immagine si basa su fatti scoperti più di un secolo fa usando metodi comportamentali, come i compiti di discriminazione e le descrizioni introspettive. Essi riguardano le miscele di luce, i tipi di cecità al colore, le immagini consecutive, l'esistenza di colori indotti e la natura dell'adattamento cromatico. Questi fenomeni erano importanti specialmente per le prime teorie della visione del colore perché rappresentavano le prime osservazioni che avevano bisogno di essere spiegate. Una volta descritte, ci chiederemo come potrebbero essere capite all'interno di una teoria del colore a livello dell'immagine.

Le miscele di luce. Come avevamo detto, solo una piccola porzione dei colori corrisponde alle luci monocromatiche. Per vedere i colori non spettrali come il porpora e i colori non saturi come i pastelli e il grigio, devono essere mescolate due o più differenti lunghezze d'onda. Questo solleva la questione di come si combinano i colori. La risposta varia a seconda che si mescolino luci o colori. Le miscele di luci sono piuttosto semplici da capire nei termini dello spazio dei colori, e quindi le esamineremo per prime. Le miscele di pigmenti colorati (vernici) - con cui molte persone hanno più familiarità - sono più complicate e verranno descritte nell'appendice B, che la spiega nel contesto di una varietà di differenti tecnologie del colore.
C'è un semplice modo per predire il colore prodotto mescolando due luci, A e B: il colore risultante sta sulla linea che unisce A e B nello spazio dei colori (figura 3.2.1A).3 Se le due luci sono mescolate in proporzioni uguali, la loro combinazione sta a metà tra loro. Se la miscela contiene molto A e poco B, allora la combinazione sta più vicina ad A ma comunque ancora lungo la linea tra A e B. Adesso dovrebbe essere chiaro perché le miscele di luci di colore complementare producano luce (bianca) acromatica: poiché i complementari stanno su punti opposti della circonferenza dei colori, allora il punto centrale cromaticamente neutrale sta sulla linea che li collega.

Nota 3. Tecnicamente, questo è vero in uno spazio dei colori chiamato il diagramma di cromaticità C.I.E. (appendice C). In molti altri spazi dei colori le linee non sono rette.

Se nella miscela è incluso un terzo colore C, il risultato starà in qualche punto all'interno del triangolo i cui vertici sono A, B e C. Questo deve essere vero secondo la seguente logica: se la miscela tra A e B sta sul segmento AB (in funzione della quantità relativa di A e B) e se questo risultato è poi mescolato con una certa quantità di C, il risultato finale starà da qualche parte tra AB e C (figura 3.2.1B). Questo insieme di alternative definisce il triangolo ABC nello spazio del colore. Dove precisamente sarà localizzata la miscela dipende dalle proporzioni relative delle tre luci.
Da quello che abbiamo detto finora, potete vedere che se A, B e C si trovano nel cerchio dei colori di massima saturazione e sono sufficientemente lontani tra loro - come il rosso, il blu e il verde - allora miscelandoli in varie proporzioni si produrrà la maggior parte dei restanti colori dello spazio dei colori. Questo significa che ogni colore all'interno del triangolo formato da A, B e C può essere creato esattamente da qualche combinazione di queste tre luci. I colori che mancheranno in questo schema di mescolanze sono il giallo, il porpora e il verde-azzurro altamente saturi, sebbene queste tinte possano essere prodotte nelle gradazioni meno sature. Aumentando la quantità assoluta delle luci A, B e C, in modo tale da far variare la chiarezza e non soltanto tinta e saturazione, possono essere prodotti quasi tutti i colori. Questo fatto riguardante la visione dei colori negli esseri umani venne scoperto nel 1855 da James Clerk Maxwell, il famoso fisico scozzese che formulò le equazioni che regolano il comportamento dei campi elettromagnetici.
Queste osservazioni possono essere generalizzate nella seguente legge di mescolanza del colore: le persone con una visione cromatica normale possono eguagliare ogni colore dato con una qualche combinazione di tre luci scelte appropriatamente (cioè, che non stanno lungo una linea retta nello spazio dei colori). Questa legge è valida per esperimenti di eguagliamento tra una regione contenente una luce monocromatica (la regione test) e una regione adiacente composta da una miscela di luci in varie proporzioni (figura 3.2.2A). L'osservatore aggiusta la proporzione di componenti della miscela finché essa appare identica alla regione test (cioè, fino a quando non scompare il bordo). Notate che le due regioni saranno sempre fisicamente differenti, nel senso che conterranno luci di diversa composizione spettrale. Due luci che appaiono identiche ma con un differente spettro fisico sono chiamate metameri.
Il lettore potrebbe obiettare a questa legge perché, come abbiamo detto, con la semplice mescolanza di tre luci non si possono creare alcuni colori saturi, quelli che stanno all'esterno del triangolo che ha per vertici i colori delle tre luci. La semplice mescolanza di tre luci non copre l'intero spazio del colore perché non ha senso parlare di colori negativi (equivalenti a vettori negativi in uno spazio vettoriale standard). Comunque, esiste un trucco metodologico. In effetti, invece di aggiungere una quantità negativa di colore alla miscela di confronto si può aggiungere la stessa quantità positiva alla regione test (figura 3.2.2B).
La figura 3.2.3 mostra come si può eguagliare un colore che sta all'esterno del triangolo definito da tre luci, usando una miscela "negativa". Il colore non adiacente al colore test tra i tre colori della mescolanza - in questo caso C - è aggiunto alla regione test invece che alla regione di confronto, usando il trucco del colore negativo. Questa combinazione può produrre qualsiasi colore lungo la linea tra T e C. Siccome uno di questi punti sta anche lungo la linea tra gli altri due colori della miscela, A e B, T può essere creato con la combinazione delle quantità positive di A e B e della quantità negativa di C. Se si ammettono queste aggiunte di colori negativi, la legge sulle miscele diventa valida per tutti i colori test.
Il fatto che bastino tre luci per ottenere qualsiasi tinta è di enorme importanza pratica, perché sta alla base di alcune fondamentali tecnologie del colore. Per esempio, tutti i colori che voi vedete sul vostro TV a colori e sullo schermo del computer sono combinazioni di tre luci che viste isolatamente appaiono rispettivamente come un rosso, un verde e un blu molto saturi. Potreste aver notato questo su uno schermo TV gigante perché allora le luci rossa, verde e blu sono evidenti. Altri TV color lavorano in modo simile, ma producono elementi colorati così vicini da essere indistinguibili. Se esaminate lo schermo da una distanza molto ravvicinata, comunque, potete vedere che le aree bianche dell'immagine non sono bianche, ma composte da minuscoli puntini rossi, blu e verdi. (Questo è facile da notare sullo schermo di un computer perché potete creare un'immagine stabile con molto bianco guardarla da vicino con una lente). Quando aggiustate i controlli del colore sul vostro TV color, voi modificate le intensità relative delle tre luci, in modo da riprodurre sullo schermo, in base alle vostre conoscenze, colori caratteristici come quello della pelle. Tutte le tecnologie del colore (pittura, tintura, fotografia a colori, TV, video, computer grafica) fanno uso delle miscele additive (queste appena spiegate), di miscele sottrattive (come spiegato nell'Appendice C), o qualche combinazione di entrambe. Questi effetti sono descritti più approfonditamente nell'Appendice C.

Cecità al colore. Quando abbiamo detto che qualsiasi colore può essere creato mescolando tre luci appropriatamente scelte, abbiamo specificato "per una persona con una normale visione del colore". Infatti, non tutti percepiscono i colori alla stessa maniera: l'8% dei maschi e l'1% delle femmine soffrono di una qualche forma di cecità al colore, cioè non sono in grado di discriminare tutti i colori. La discrepanza tra i tassi d'incidenza tra uomini e donne riflette il fatto che questo deficit è legato al sesso e a fattori ereditari. Per scoprire se soffrite di questo deficit guardate il Color Plate 3.5. Se riuscite a discriminare i numeri 57 e 15 nel pattern di puntini, la vostra visione del colore è probabilmente normale. Se vedete qualcos'altro siete afflitti almeno in parte da cecità al colore.
Ci sono alcune diverse varietà di cecità al colore di differente gravità. Le persone con una normale visione del colore vengono chiamate tricromatici (tri= tre + chroma= colore) perché, come abbiamo visto, possono eguagliare qualsiasi colore con la mescolanza di altri tre. Gli osservatori con completa tricromaticità vedono tutte le tinte del solido dei colori. La maggior parte delle persone che hanno cecità al colore sono in qualche forma dicromatici (di= due) perché possono eguagliare qualsiasi colore con alcune mescolanze di soltanto due colori. Alcune persone vedono solo variazioni di bianchezza (lightness) come voi quando guardate un film o una foto in bianco e nero. Sono chiamati monocromatici (mono= uno) e possono eguagliare qualsiasi luce variando l'intensità di qualsiasi altra luce. Per loro, l'intero spazio tricromatico del colore è proiettato sul singolo asse centrale dei colori acromatici.
Ci sono tre tipi di osservatori dicromatici. Due non vedono il rosso e il verde, che sono probabilmente visti come grigi. Come risultato ad essi il mondo appare nelle varie gradazioni di blu, giallo e grigio, come se la dimensione rosso/verde fosse stata eliminata (Color Plate 3.6). Queste due forme di cecità al colore rosso/verde dette protanopia (proto= primo + anopia= incapacità di vedere) e deuteranopia (deutero= secondo) sono qualitativamente molto simili. Ma possono venir distinte misurando il punto neutrale monocromatico dell'osservatore: la specifica lunghezza d'onda alla quale la luce monocromatica appare non colorata (grigia). Per entrambi i gruppi le lunghezze d'onda brevi appaiono bluastre e le lunghezze d'onda lunghe appaiono giallastre, ma da qualche parte in mezzo c'è una lunghezza d'onda che è percepita come grigio neutro, né blu né giallo. (I tricromatici normali non hanno un punto neutrale del genere: tutte le luci monocromatiche, come nell'arcobaleno, producono vivide esperienze di colore). Per i protanopici il punto neutrale sta intorno ai 492 nm e per i deuteranopici intorno ai 498 nm (figura 3.2.4). Malgrado la loro evidente somiglianza, la distinzione tra queste due varietà di cecità al colore ha importanti implicazioni fisiologiche, che esamineremo brevemente.
La forma rosso/verde della cecità al colore è tra le più frequenti: colpisce circa l'1% di uomini e il 0.02% di donne. Il terzo tipo di dicromatismo, la tritanopia (tri= terzo) è molto più raro; colpisce solo lo 0.02% di uomini e lo 0.01% di donne. I tritanopici non discriminano i blu dai gialli: la loro esperienza soggettiva del mondo consiste presumibilmente solo di gradazioni di rosso, verde e grigio (Color Plate 3.6), come se la dimensione blu/gialla fosse stata eliminata. Come indica la figura 3.2.4 le lunghezze d'onda corte appaiono verdi e le lunghe appaiono rosse, con il punto neutrale grigio verso i 570 nm.
Ci sono anche delle corrispondenti anomalie cromatiche [weakness= debolezza] in cui la percezione del colore è danneggiata, ma in modo meno radicale. Questi tricromatici anomali costituiscono la rimanente parte della popolazione con insufficienze riguardanti il colore. Essi eguagliano qualsiasi colore con qualche miscela di altri tre, ma in proporzioni differenti dai tricromatici normali. Per chi ha un'anomalia del rosso/verde il solido dei colori sarà più schiacciato, compresso nella dimensione rosso/verde ma ancora tridimensionale. Per Per chi ha un'anomalia del blu/giallo il solido è compresso lungo la dimensione blu/gialla. La distinzione tra tricromatici normali e anomali non è netta; nella popolazione di tricromatici anomali sono presenti vari gradi di deviazione dalla normalità.
Una volta spiegato il substrato fisiologico del sistema visivo diventerà chiaro perché esistono queste particolari anomalie, e non altre. Le manifestazioni comportamentali relative alle anomalie della visione cromatica erano ben note prima che fosse capito il substrato fisiologico, e uno degli scopi delle prime teorie della percezione del colore era quello di spiegarle. Come vedremo, i fenomeni della cecità al colore hanno un ruolo importante nella storia delle teorie del colore.
Prima di abbandonare questo argomento, è importante chiedersi come i tricromatici normali sanno - o pensano di sapere - come appare il mondo ai dicromatici o ai monocromatici. Questo è un vecchio problema filosofico, riguardante la natura privata dell'esperienza cosciente. Come potete sapere che la mia esperienza del rosso è uguale alla vostra? Il fatto che chiamiamo la stessa cosa "rosso" non prova questo fatto, io potrei vedere il rosso uguale al vostro verde, ma chiamarlo "rosso". (Non c'è trucco qui: semplicemente io userei la parola "rosso" come mi è stato insegnato, esattamente come voi, ma che la mia esperienza sensoriale sarebbe diversa). Infatti, è logicamente possibile che la mia esperienza del colore sia esattamente inversa alla vostra, come se l'arcobaleno per me fosse nell'ordine opposto. (Vedi la sezione 13.1.2 per una discussione più dettagliata).
Dati questi problemi, in che modo i tricromatici possono sapere come appare il mondo ai dicromatici? Ci sono due risposte. Una viene da quei individui estremamente rari che hanno la cecità al colore per un solo occhio (MacLeod & Lennie, 1976; Sloan & Wollach, 1948). Queste persone ci possono dire come un'immagine dicromatica appare a un tricromatico semplicemente guardando con un occhio alla volta, perché la stessa persona ha esperienza di entrambe le immagini. Questo sembra una risposta soddisfacente finché non ci si chiede quanto un occhio tricromatico possa avere influsso sulle esperienze ottenute con l'occhio dicromatico. Forse, solamente quando il cervello ha a disposizione la completa gamma di colori tricromatici provenienti dall'occhio tricromatico che le esperienze fatte con l'occhio cieco al rosso/verde appaiono sulla dimensione blu/gialla. Forse la dicromaticità binoculare produce un'esperienza radicalmente differente da ciò che è vissuto dai tricromatici normali. Queste idee più caute portano alla seconda risposta, che è semplicemente la seguente: non lo possiamo sapere. Potrebbe non esistere alcun modo per avere la completa certezza, come argomenteremo nel capitolo 13 quando affronteremo il problema della consapevolezza visiva.

Le immagini consecutive (color afterimages). Un'altra importante classe di fenomeni nella comprensione della visione del colore viene dalle immagini consecutive: effetti successivi alla prolungata osservazione di un colore saturo. Chiunque ha visto le immagini consecutive acromatiche, successive all'esposizione a una luce intensa, come un flash o il sole. Con l'osservazione prolungata di uno stimolo colorato illuminato potete vedere delle immagini consecutive dai colori molto convincenti. Riprovate con la bandiera verde, nera e gialla nel capitolo 2, Color Plate 2.1. Fissate il punto al centro per almeno 30 secondi, muovendo gli occhi il minimo possibile. Poi fissate il punto nel rettangolo bianco fino all'apparizione dell'immagine.
Vedrete la bandiera americana in rosso, bianco e blu (come un'ombra trasparente) perché nell'immagine consecutiva ogni colore produce il suo colore complementare. Nel solido dei colori il complementare è il colore opposto, rispetto il punto centrale: il complementare del verde è il rosso, del nero è il bianco, del giallo è il blu. Questo è un semplice modo per determinare il complementare di qualsiasi colore: fissare il punto centrale di un campione molto saturo e poi guardare un foglio bianco. Il vostro sistema visivo vi darà automaticamente la risposta.

Contrasto simultaneo di colore. I colori complementari sono altrettanto importanti nel fenomeno del contrasto simultaneo di colore, o colore indotto. Qui l'effetto del colore complementare è ottenuto nello spazio e non nel tempo. L'effetto di contrasto simultaneo classico si dimostra presentando due regioni con lo stesso spettro che risultano percettivamente diverse in funzione dalla regione circostante. In altre parole, quando la regione target è circondata da uno sfondo fortemente colorato, questo può influenzare la percezione del colore del target (Color Plate 3.7). Notate che nei differenti quadranti il grigio (fisicamente identico) risulta debolmente colorato: verdastro contro lo sfondo rosso, rossiccio contro lo sfondo verde, bluastro contro lo sfondo giallo e giallastro contro lo sfondo blu. Se il target è acromatico il colore indotto è complementare allo sfondo. Se il target è cromatico il colore cambia verso il colore cromatico nella misura determinata dalla sua intensità e dalla durata di fissazione.
Il contrasto simultaneo riguarda anche la percezione acromatica. Un esempio di SLC (simultaneous lightness contrast) è mostrato nella figura 3.2.5. E' analogo al contrasto del colore eccetto il fatto che qui lo sfondo è acromatico. Notate che i differenti quadranti della corona grigia hanno differente bianchezza, in funzione dello sfondo. La sezione su sfondo nero appare più chiara, mentre quella su sfondo bianco appare più scura, le altre a metà.
Un altro ben noto effetto di contrasto acromatico sono le bande di Mach, che prendono il nome da Ernst Mach, il fisico e psicologo del diciannovesimo secolo, che le scoprì. Le bande di Mach sono variazioni illusorie nella percezione della bianchezza (o chiarezza) osservabili in alcuni bordi. Nella figura 3.2.6 si vede una banda molto più chiara nella zona chiara a sinistra e una molto scura nella zona scura a destra. L'illusione è descritta nel grafico sotto: la linea grigia del grafico B mostra il profilo di luminanza e la linea nera mostra il profilo percepito. Le bande di Mach sono un effetto di contrasto perché la bande molto scura e quella molto chiara dipende dal contrastyo con le regioni adiacenti. Piu avanti nel capitolo considereremo come le bande di Mach possono essere il prodotto dall'elaborazione neurale.

L'adattamento cromatico. Nella sezione 1.1.3 abbiamo menzionato il ben noto fenomeno dell'adattamento la buio: il fatto che il sistema visivo diventa più sensibile alla luce dopo un prolungato periodo al buio. Il suo opposto, l'adattamento alla luce, implica la perdita temporanea di sensibilità alla luce dopo una prolungata esposizione a una luce forte. Date queste forme di adattamento non dovrebbe essere sorprendente che il sistema visivo manifesti adattamento cromatico. La prolungata esposizione alla luce di uno specifico colore riduce la sensibilità del sistema visivo al colore immediatamente successivo. Per dimostrare l'adattamento cromatico guardate la regione rosso-verde della tavola dei colori 3.8A sotto un'illuminazione intensa solo con l'occhio sinistro, fissando il punto in centro. Dopo 30 secondi di adattamento guardate solo con l'occhio destro (non adattato) e notate quanto più sature appaiano le regioni rossa e verde. Poi adattate il vostro occhio sinistro ancora un po' alla regione rosso-verde e guardate la tavola 3.8B prima con l'occhio sinistro (adattato) e poi con il destro (non adattato). Con il sinistro la striscia rossa appare meno satura in basso e più satura in alto. L'opposto succede alla striscia verde, che appare più satura in basso e meno satura in alto. La striscia gialla subisce un mutamento cromatico drammatico a causa dell'adattamento, e appare rossiccia in alto e verdastra in basso. Differenze analoghe sono evidenti nella striscia blu. Notate che nessuna di queste differenze è presente nell'occhio destro, non adattato.
L'adattamento cromatico dà effetti clamorosi se l'intero campo visivo è stimolato per un prolungato periodo di tempo da una distribuzione omogenea di colore. Uno stimolo completamente uniforme sull'intero campo visivo è chiamato Ganzfeld, (in tedesco "campo intero"). Indipendentemente dal colore iniziale, ogni Ganzfeld è visto come un grigio neutrale a causa dell'adattamento cromatico. Potete vedere questo effetto tagliando in due una pallina da ping-pong gialla e mettendo metà sopra ciascun occhio. Dopo pochi minuti percepirete una nebbia acromatica (di aspetto filmare), e non una superficie solida gialla.
Quando rimuovete le mezze palline da ping-pong gialle, dopo il completo adattamento cromatico, il mondo vi apparirà leggermente bluastro. Questo è un effetto consecutivo cromatico. Questo accade perché esiste una stretta relazione tra l'adattamento e gli effetti consecutivi: l'adattamento cromatico causa gli effetti consecutivi cromatici, che fanno comparire i colori complementari. Comunque, non si tratta dello stesso fenomeno. L'adattamento si riferisce all'abbassamento della sensibilità a un tipo di stimolazione, dopo prolungata esposizione allo stesso stimolo (o a stimoli simili). Gli effetti consecutivi implicano la tendenza verso una percezione "opposta", particolarmente in risposta a stimoli neutrali, come lo sfondo bianco nel caso di adattamento cromatico. [SI NOTI PERO' CHE A SEGUITO DELL'ADATTAMENTO SELETTIVO SI PRODUCE UNO SQUILIBRIO NELLA RISPOSTA A STIMOLI OMOGENEI, E QUINDI UN'ILLUSIONE DI CONTRASTO]

3.2.2. Teorie della visione del colore

Abbiamo finora descritto alcuni fenomeni riguardanti la percezione del colore. Come abbiamo evidenziato nel capitolo 2, i fatti sono importanti ma non sufficienti per la comprensione scientifica. Per questa abbiamo bisogno di una teoria della visione del colore che colleghi coerentemente questi fatti gli uni agli altri e che faccia nuove ipotesi. Vediamo come i teorici della percezione trattano i dati comportamentali sul colore che abbiamo appena passato in rassegna.

La teoria tricromatica. La prima teoria scientifica sulla visione del colore fu proposta inizialmente nel 1777 da George Palmer e riscoperta indipendentemente nel 1802 dal filosofo britannico Sir Thomas Young. La teoria ipotizza che nell'occhio umano ci siano tre tipi di recettori, che producono tre sensazioni cromatiche primarie: rosso, verde, blu. Questa teoria, più tardi estesa da Maxwell (1855) e Helmholtz (1867/1925), divenne nota come teoria tricromatica di Young-Helmholtz.
Secondo Helmholtz, i tre tipi di recettori cromatici reagiscono differentemente in funzione della lunghezza d'onda dei fotoni assorbiti (figura 3.2.7). Un tipo di recettori si attiva di più nella regione corta dello spettro, dove la luce appare blu, un altro tipo nella regione media, dove la luce appare verde, e il terzo nella regione lunga, dove la luce appare rossa. Ogni tipo di recettore è, in sé, "cieco al colore", nel senso che nessun singolo recettore può discriminare tra due differenti lunghezze d'onda della luce. Ma poiché le funzioni dei tre recettori si sovrappongono, ogni data lunghezza d'onda stimola il sistema di tre recettori in gradi differenti. Helmholtz propose che il colore percepito dipenda dal pattern di attivazione dei tre tipi di recettori.
La teoria dei tre recettori spiega molti importanti fenomeni della visione del colore: il fatto che ci siano tre dimensioni nello spazio del colore; il fatto che tre luci siano sufficienti a eguagliare qualsiasi colore percepito; i metameri nascono semplicemente perché lo stesso pattern di attivazione nei tre tipi di recettori può essere prodotto da molte miscele spettrali fisicamente distinte.
La teoria tricromatica è anche in grado di spiegare le varietà basilari di cecità al colore. Le tre categorie di tricromaticità nascono dall'assenza di uno dei tre tipi di recettori. I protanopici mancano dei recettori per le onde lunghe, i deuteranopici dei recettori per le lunghezze d'onda medie e i tritanopici dei recettori per le lunghezze d'onda brevi. Nei monocromatici sono assenti due dei tre tipi di recettori. La teoria tricromatica ebbe successo perché fu in grado di spiegare molti fatti partendo da poche assunzioni relativamente semplici. Come risultato, essa domina il campo della percezione del colore da più di un secolo.

La teoria dei processi opponenti. Malgrado il considerevole successo della teoria tricromatica, ci furono alcuni fatti che essa non spiegava tanto bene, particolarmente quelli concernenti la fenomenologia della percezione del colore, cioè la natura dell'esperienza soggettiva del colore. Molti di questi fatti furono utilizzati da Ewald Hering per confutare la teoria tricromatica e per proporre la teoria dei processi opponenti.

[RIASSUNTO DI GERBINO FINO A P. 116]
Le osservazioni che mettono in difficoltà la teoria tricromatica sono le seguenti:
· Nei casi di dicromatismo, i colori vengono perduti in coppia (rosso e verde, oppure giallo e blu);
· Il giallo, che dovrebbe risultare da una miscela additiva di rosso e di verde, appare come un colore puro, "primario" quanto il rosso, il verde e il blu;
· I colori sembrano orgnaizzati per "opposti", nel senso che non ci sono esperienze di colori misti del tipo rosso-verde, oppure giallo-blu (cui corrispondono anche le polarità osservate nelle immagini consecutive).

La teoria del doppio processo. Il contrasto tra la teoria tricromatica di Helmholtz e la teoria dei processi opponenti di Hering venne successivamente superato da una teoria a due stadi, che distingue una prima codificazione da parte di tre sistemi di recettori, che costituisce l'input per un seccessivo stadio basato su processi opponenti (Figura 3.2.12). Questa sintesi si deve in particolare a Hurvich e Jameson (1957).

3.2.3 Meccanismi fisiologici

A partire dal 1950, sono state effettuate varie misure che hanno consentito di individuare i meccanismi fisiologici sottostanti i due stadi previsti dalla teoria del doppio processo.

Tre sistemi di coni. E' stato possibile misurare gli spettri di assorbimento di tre tipi di coni, specializzati per una diversa banda di lunghezze d'onda: L (lunga), M (media), S (short= corta). I tre tipi di coni sono di nmerosità diversa: L: M: S= 10: 5: 1. Inoltre al centro della fovea (per un diametro di 0.1°) non ci sono coni S. Gli spettri di assorbimento sono descritti nella figura 3.2.13. Le anomalie della visione corrispondono all'assenza di un tipo di coni: i protanopi sono privi dei coni L; i deuteranopi dei coni M; i tritanopi dei coni S.

Cellule per i colori opponenti. Le ricerche di Russell De Valois (1965) e collaboratori hanno consentito di scoprire, prima nel LGN del macaco e poi nelle cellule bipolari e gangliari, cellule con un'organizzazione eccitatoria-inibitoria del tipo R+G- (e simili), descritta nella figura 3.2.14. Il modo in cui l'input dei coni LMS è ricodificato nelle cellule opponenti è illustrato nella Figura 3.2.15.

La riparametrizzazione nell'elaborazione del colore. La figura 3.2.16 illustra un concetto fondamentale: l'informazione sul colore viene rappresentata all'interno del sistema visivo secondo diversi parametri.

Inibizione laterale [116-121, Roberta Gottardo]. Alcuni fenomeni di contrasto possono essere spiegati dal meccanismo dell'inibizione laterale, illustrato in una dimensione nella figura 3.2.17 e in due dimensioni (appropriate per la retina) nella figura 3.2.18. E' utile distinguere tra il campo proiettivo del recettore, composto da tutte le cellule connesse a un dato recettore, e il campo recettivo di una cellula gangliare, composto da tutti i recettori ad essa connessi. Le cellule gangliari nella retina di molti mammiferi hanno un'organizzazione centro-periferia (center-surround). Secondo molti ricercatori, l'inibizione laterale consente di spiegare alcuni semplici fenomeni come il contrasto simultaneo (figura 3.2.19) o l'illusione della griglia di Hermann (figura 3.2.20).
Un grosso problema per questa spiegazione è che non è chiaro se l'inibizione laterale può agire per distanze grandi (mentre il contrasto simultaneo si ottiene fino a 10° di estensione). Ci sono due possibilità: (a) l'inibizione laterale potrebbe avere un raggio d'azione di frazioni di grado a livello retinico, ma essere molto più estesa a livelli superiori; (b) l'effetto locale dell'inibizione laterale potrebbe propagarsi in base ad un altro meccanismo.
La griglia di Hermann (figura 3.2.20) è spiegata molto bene dall'inibizione laterale. Le macchie grige all'intersezione delle linee bianche sono spiegate dal fatto che in quelle zone c'è più inibizione da parte del bianco, rispetto a quella che c'è nelle zone lontane dall'intersezione (figura 3.2.21). Il fatto che non sia visibile una macchia scura nell'intersezione corrispondente al punto di fissazione può essere spiegato ipotizzando che in fovea ci sia meno inibizione (rispetto alla periferia).
Vi sono tuttavia dei fenomeni di percezione illusoria di bianchezza incompatibili con l'inibizione laterale: uno è l'illusione di Todorovic (figura 3.2.22). L'altro è un effetto scoperto da Agostini e Proffitt (1993), in cui un disco grigio unificato in base al movimento comune con dei dischi neri appare più chiaro di un disco grigio unificato con dei dischi bianchi.

Adattamento ed effetti consecutivi (aftereffects). In generale, l'esposizione prolungata a uno stimolo colorato produce riduzione progressiva di sensibilità a quel colore (adattamento) e comparso del colore opposto in risposta a uno stimolo neutrale (bianco, grigio). Un possibile meccanismo, basato sulle cellule opponenti, è illustrato nella figura 3.2.23.

Doppie cellule opponenti. Sono illustrate nella figura 3.2.24. Possono spiegare il contrasto di colore.

Meccanismi corticali superiori. Esistono evidenze neuropsicologiche di deficit (acquisiti) nella rappresentazione dei colori, diversi dalla cecità al colore di origine periferica. Nella acromatopsia i soggetti dicono di non vedere i colori, anche se hanno una normale capacità discriminativa. Ci sono poi difetti nella conoscenza dei colori (soggetti che non sono in grado di decidere quale colore sia appropriato per un dato oggetto). Nell'anomia per i colori i soggetti non sono in grado di denominare i colori pur vedendoli bene.

[122-129, Roberto Gava]

3.2.4 Sviluppo della visione dei colori
Usando la tecnica del preferential looking (direzione preferita dello sguardo), è stato accertato che già in bambini di circa 2 mesi sono attivi tutte e 3 i coni (forse con una minore funzionalità dei coni S).

3.3. Elaborazione dei colori a livello delle superfici
Si osservi la costanza del colore acromatico nella figura 3.3.1. Per esempio, tutto il rivestimento appare fatto di legno bianco, anche nella zona a sinistra, in ombra. Questo è un problema, perché la luce riflessa dalle superfici (quella che arriva all'occhio) è il prodotto dell'illuminazione per la riflettanza della superficie (figura 3.3.2). In generale, lo spettro della luce riflessa si ottiene moltiplicando lo spettro di riflettanza per lo spettro dell'illuminazione.
Quindi la soluzione del problema inverso "trovare lo spettro di riflettanza dato lo spettro di luce riflessa" è sottodeterminato (underconstrained) . La costanza del colore non può quindi essere spiegata solo in funzione del luce riflessa da ciascuna zona dell'immagine.

3.3.1. Costanza di bianchezza (lightness)
La figura 3.3.3 illustra il problema: la luce riflessa dalla zona ad alta riflettanza sotto luce artificiale (90= 90% di riflettanza sotto un'illuminazione pari a 100 unità) può essere di molto inferiore alla luce riflessa dalla zona a bassa riflettanza sotto il sole (1000= 10% di riflettanza sotto un'illuminazione pari a 10000 unità). Come è possinile percepire la superficie ad alta riflettanza sempre bianca e l'altra sempre nera?

Teorie dell'adattamento. Possono spiegare alcuni ma non tutti i casi di costanza (per esempio quelli che coinvolgono le ombre).

Inferenza inconscia contrapposta alle teorie relazionali. Secondo Helmholtz il colore di superficie può essere inferito in base a una stima dell'illuminazione incidente. Tuttavia è dubbio che l'osservatore sia in grado di stimare accuratamente il livello di illuminazione. L'ipotesi alternativa, sostenuta dagli esperimenti di Wallach (figura 3.3.5) fa riferimento al rapporto tra luminanze (una misura del contrasto fisico tra regioni adiacenti).

L'importanza dei bordi. L'illusione illustrata nella figura 3.3.6 [SI NOTI CHE QUESTO E' IL BORDO DI CORNSWEET, NON L'ILLUSIONE DI CRAIK-O'BRIAN] dimostra che il dislivello di intensità ai bordi è sufficiente a produrre una differenza di bianchezza.

La teoria Retinex. Come dimostra la figura 3.3.7, l'algoritmo proposto da Land e McCann consente di eliminare gli effetti delle variazioni graduali dell''illuminazione. Anche i rapporti tra riflettanze remote possono essere ricostruiti moltiplicando tutti i rapporti tra luminanze adiacenti, mirurati in prossimità di un bordo.

Il problema della scala di misura. Il problema della costanza non è risolto dal calcolo dei rapporti tra bianchezze. Deve anche essere definita la posizione assoluta di ciascun colore acromatico sulla scala da nero a bianco. L'euristica dell'ancoramento comunemente accettata si basa sulla luminanza più elevata come bianco (salvo il caso di regioni molto piccole, a luminanza molto elevata, che appaiono luminose, Land & McCann, 1971 ; Wallach, 1948 ). La drammatica evidenza sperimentale di questa regola è stata recentemente riportata quando i soggetti guardavano i quadri di Mondrian, la riflettanza dei quali variava dal grigio scuro al nero. Quando i soggetti guardavano queste superfici in condizioni isolate ( quando le altre superfici non erano visibili ) essi percepivano la LIGHTEST REGION ( la quale era grigio scuro ) come bianca e la DARKEST REGION ( la quale era nera ) come un grigio medio ( Catalotti & Gilchrist, 1995 ).
Nonostante il successo della regola della HIGHEST LUMINANCE in questi e molti altri esperimenti, comprendiamo come non possiamo ridurre tutto a questo. Il problema è che essa prevede che la regione di HIGHEST LUMINANCE sia percepita come BIANCA., malgrado le persone percepiscano certi oggetti come LUMINOSI. La luna è un buon esempio. La sua superficie è di un grigio medio. Essa non emette luce ma semplicemente riflette la luce del sole. Quando è vista contro un cielo nero notte, essa appare come SELF-LUMINOUS.
I fattori che influenzano tale percezione di luminosità sono complessi, dipendono dalla configurazione spaziale delle regioni come dalla loro LUMINANCES ( Li & Gilchrist ). Una piccola regione di luce completamente circondata da una larga regione scura - come nel caso della luna - sono ottime per la percezione della luminosità.

BORDI DI ILLUMINAZIONE E BORDI DI RIFLETTANZA
Abbiamo scoperto ora che i rapporti tra luminanze adiacenti sembrano determinare la bianchezza ( LIGHTNESS ), che questi rapporti ai bordi possono essere integrati globalmente in una scena complessa, che la regione di maggior luminanza è di regola percepita come bianca. Siamo ora in grado di spiegare la costanza della bianchezza ? sfortunatamente no, per arrivare a questo deve essere ancora risolto un problema più complicato.
Il problema è che i bordi di luminanza nell'immagine retinica possono essere dovuti a due tipi molto diversi di bordi nell'ambiente:
1. BORDI DI RIFLETTANZA :i bordi di riflettanza sono cambiamenti nella luminanza dell'immagine provocati da cambiamenti nella riflettanza di due superfici retinicamente adiacenti. I margini di riflettanza possono verificarsi quando le superfici sono fatte di materiali diversi o sono dipinte con colori diversi.
2. BORDI DI ILLUMINAZIONE :i bordi di illuminazione sono cambiamenti nella luminanza dell'immagine provocati da quantità diverse di illuminazione su una singola superficie di riflettanza omogenea. I bordi di illuminazione possono essere provocati da ombre portate, dai "riflessi" sulle superfici speculari, fasci ristretti di luce ( come nell'illuminazione teatrale ) o da variazioni nell'orientamento della superficie.

La TEORIA RETINEX è accurata nell'integrare molteplici bordi di riflettanza in uno schermo piano, ma è grossolanamente non accurata ogniqualvolta essa incontra un bordo di illuminazione. La ragione non è difficile da comprendere : la teoria Retinex assume che tutti i cambiamenti nell'illuminazione sono graduali e quindi li sopprime, calcolando soltanto i rapporti tra luminanze ai bordi. La teoria Retinex ottiene la costanza della bianchezza solo se tutti i bordi netti di luminanza che sono presenti nell'immagine sono causati dai margini di riflettanza nel mondo.
L'importanza critica della distinzione tra i due tipi di bordi ( di illuminazione versus riflettanza ) nella bianchezza percepita è stata elegantemente dimostrata dallo psicologo ALAN GILCHRIST dell'Università di Rutgers. In uno dei suoi esperimenti, Gilchrist (1988) mise gli osservatori in una situazione nella quale essi dovevano guardare uno schermo formato da una particolare disposizione di luci ed ombre, come fig.3.3.8.A egli creò due situazioni visive che avevano identici pattern di luminanza nella regione centrale ma contesti diversi. La fig. 3.3.8.B mostra lo schermo del bordo di illuminazione, e la fig.3.3.8.C mostra lo schermo del bordo di riflettanza. In entrambi i casi la regione sinistra più scura contiene un target quadrato, la bianchezza percepita del quale era misurata dal confronto di esso con l'elemento più simile in una tabella di 16 quadrati disposti in 4 file di 4 quadrati nella regione destra più chiara. In entrambi i casi si richiedeva ai soggetti di indicare quale dei 16 quadrati sulla destra incontrava quello sulla sinistra in rapporto all'ombra di grigio percepita, in modo che se il quadrato a sinistra era mosso fisicamente sopra la fila, i due quadrati sarebbero sembrati uno solo.
Nella condizione del bordo di illuminazione ( fig.3.3.8B ) i soggetti potevano vedere che lo sfondo più scuro del target sulla sinistra era provocato da un'ombra gettata sopra la parte sinistra dello schermo. Perciò era probabile che essi percepissero il bordo centrale tra la metà scura e chiara come un bordo di illuminazione. Nella condizione del bordo di riflettanza ( fig.3.3.8C ) uno schermo coprente faceva sparire tutta l'informazione sul fatto che il bordo centrale era dovuto ad un'ombra. Nell'assenza dell'evidenza di un'ombra, i soggetti percepivano il bordo centrale come provocato da una differenza nella riflettanza. Così, la differenza principale tra le due condizioni era che il bordo centrale era percepito come un bordo di illuminazione in un caso (B) e come un margine di riflettanza nell'altro (C). Ma la questione rilevante è se questa differenza abbia qualche effetto sui giudizi di bianchezza degli osservazioni. Gilchrist trovò una enorme differenza tra i giudizi di bianchezza dei soggetti nelle due condizioni, come indicato nella fig.3.3.9. Nella condizione del bordo di riflettanza ( 3.3.9.B ) i soggetti scelsero grigi che erano solamente un po' più chiari rispetto ad un esatto confronto di luminanza del quadrato target sulla sinistra.
Assumendo che il bordo centrale era dovuto unicamente ad una differenza nella riflettanza con uguale illuminazione su entrambi i lati. Questi soggetti apparentemente integravano l'informazione di bianchezza dell'intero schermo, come la teoria Retinex di LAND e McCANN aveva predetto. Nella condizione del bordo di illuminazione ( fig.3.3.9A ) comunque, i soggetti scelsero grigi che erano drammaticamente più chiari rispetto al confronto di luminanza. Infatti, le loro scelte erano molto vicine alla costanza di bianchezza, assumendo che il margine centrale era dovuto unicamente ad una differenza nell'illuminazione.
Questi confronti sembrano essere basati su porzioni delle regioni target di luminanza uguale ai loro immediati contorni, senza integrazione sopra il margine centrale.
La differenza fra i risultati di queste due condizioni non possono essere spiegati dalla sola informazione di luminanza locale poiché le luminanze delle regioni corrispondenti al centro dello schermo erano identiche. L'interpretazione più soddisfacente è che nella condizione di illuminazione, i soggetti percepivano il bordo centrale come un cambiamento nell'illuminazione e perciò sopprimevano i processi di determinazione relativa alla bianchezza integrando proporzioni di luminanza sopra questo bordo. Invece, essi assumevano che le riflettanze su entrambi i lati del bordo centrale erano le stesse e che tutte le differenze erano dovute all'ombra. Nella condizione di riflettanza, comunque, le proporzioni di luminanza attraverso il bordo centrale erano computate in modo simile alla retina, fornendo così confronti quasi perfetti.
Questa interpretazione suggerisce che la computazione della bianchezza valutata sopra uno schermo complesso contenente sia margini di illuminazione che di riflettanza probabilmente richiede due separate rappresentazioni: una mappa di illuminazione ( illumination map ) delle regioni che differiscono nella somma di luce che le colpisce e una mappa di riflettanza ( reflectance map ) delle regioni che differiscono nelle percentuali di luce che esse riflettono. La BRIGHTNESS relativa dell'illuminazione, in regioni della mappa delle illuminazioni può essere integrata attraverso bordi di illuminazione, ignorando la riflettanza ai bordi. Similmente, la bianchezza relativa di superfici riflettenti della mappa delle riflettanze possono essere integrate attraverso bordi di riflettanza, ignorando i bordi di illuminazione. Comunque, queste due elaborazioni devono essere tenute separate.
DISTINGUERE I BORDI DI ILLUMINAZIONE DAI BORDI DI RIFLETTANZA
Un importante pezzo del puzzle è ancora mancante: come il sistema visivo determina quali bordi sono dovuti a differenze di illuminazione e quali a differenze nelle riflettanze?
Numerose sono le euristiche disponibili per spiegare questa discriminazione critica, inclusi 'FUZZINESS, PLANARITY e RATIO MAGNITUDE.
1. Un fattore è se il bordo è sfocato ( FUZZY ) o netto ( SHARP ). I bordi di illuminazione dovuti a ombre o proiezioni tendono ad essere sfocati e piuttosto graduali, mentre gli angoli di riflettanza tendono ad essere netti. In assenza di informazioni contrarie, il sistema visivo tende ad assumere che un bordo netto tra regioni complanari è un bordo di riflettanza. Questo perché gli stimoli CENTER-SURROUND di WALLACH ( fig.3.3.5 ) erano percepiti come differenze di riflettanza piuttosto che di illuminazione, anche se essi erano prodotti da differenze nell'intensità di luce proiettata.
2. Un secondo fattore è la planarità. Se l'informazione di profondità ( vedi cap.5 ) indica che due regioni non sono complanari, il bordo tra esse tenderà ad essere percepito come un bordo di illuminazione piuttosto che un bordo di riflettanza, anche se esso è netto piuttosto che sfocato. La ragione è che le superfici ad una differente profondità e/o orientamento normalmente ricevono un diverso ammontare di illuminazione a causa del comportamento fisico della luce.
3. Un terzo fattore è la grandezza del rapporto di illuminazione ai bordi ( RATIO MAGNITUDE ): i bordi di illuminazione possono produrre un maggior cambiamento nell'illuminazione che i bordi di riflettanza. Una buona superficie bianca normalmente riflette non più del 90% dei fotoni di incidenza, e una buona superficie nera ne riflette non meno del 10%. Le proporzioni di riflettanza sono quindi diverse essendo in rapporto di 10:1. Ma le proporzioni di illuminazione possono essere 1000:1 o più. Quindi, se una proporzione è 10:1 o più, una buona euristica assumerà che è dovuta ad una differenza nell'illuminazione.
Il colore fornisce un'informazione aggiuntiva per distinguere tra bordi di illuminazione e bordi di riflettanza, come scopriremo tra breve quando discuteremo la costanza cromatica del colore.
Intuitivamente, il fattore cruciale è che differenze nell'illuminazione quasi sempre produrranno tinte ( HUE ) simili, e valori di saturazione simili sui lati opposti del bordo, mentre differenze nella riflettanza non lo faranno quasi mai. Per esempio, se un'ombra cade sopra l'imposta di una finestra blu accanto ad un muro giallo di una casa, l'imposta sarà di una certa tonalità di blu su entrambi i lati del bordo d'ombra, ed il muro sarà di una certa tonalità di giallo. La riflettanza ai bordi tra l'imposta ed il muro avrà un'enorme differenza di tinta rispetto al lato opposto: blu su un lato e giallo sull'altro. Parlando in generale, se la tinta o la saturazione variano attraverso un bordo quest'ultimo probabilmente sarà un bordo di riflettanza. Se varia solo la luminosità ( brightness ), esso probabilmente sarà un bordo di illuminazione.
Prima di lasciare l'argomento della costanza della bianchezza, ritorniamo sulla controversia di Helmholtz / Hering discussa precedentemente. Ricordiamo che Helmholtz sosteneva che la costanza della bianchezza risultava dall'inferenza inconscia basata sull'informazione dell'illuminazione, ed Hering sosteneva che la costanza della bianchezza era basata su una "diretta" relazione percepita dei contrasti ai bordi. All'inizio l'approccio al contrasto di Hering sembrava chiaramente preferibile, alla fine risultava preferibile come modificato dalla formulazione della proporzione di Wallach e come esteso dalla teoria Retinex di Land e McCann dell'integrazione ai bordi. Comunque, gli esperimenti di Gilchrist rivelarono un problema critico che si presentava per semplici schemi basati sui bordi alla presenza dei cambiamenti di illuminazione: differenti tipi di bordi richiedono tipi di elaborazioni per arrivare alla percezione di bianchezza.
La spiegazione emergente include una componente Helmholtziana nel senso che gli effetti dell'illuminazione devono essere presi in considerazione nell'elaborazione della bianchezza percepita. Esso non è il processo di inferenza inconscia basata su livelli assoluti di illuminazione che Helmoholtz immaginò, questo è certo; esso richiede un processo che classifichi ( o "interpreti" ) i bordi come dovuti a cambiamenti nell'illuminazione versus riflettanza e differenti computazioni ( o "inferenze" ) sono svolte come un risultato di questa classificazione. Perciò sembra che entrambi, Helmholtz ed Hering possono nuovamente tornare ad essere considerati giusti, ognuno a suo modo, e che un'adeguata teoria della percezione della bianchezza può richiedere una sintesi degli aspetti di entrambi gli approcci. Questa sintesi teoretica non è ancora a portata di mano, ma sembra essere considerata dalle attuali ricerche.

COSTANZA DEL COLORE CROMATICO
Noi abbiamo appena discusso fatti e teorie sulla percezione della costanza del colore acromatico lungo l'asse nero/bianco.
Ora noi considereremo come esso può essere esteso nel dominio cromatico. Come si può immaginare dal fatto che due e più dimensioni di spazio colorato possono essere incluse, questi argomenti sono contemporaneamente più complessi e meno ben compresi. Questo non significa che la costanza del colore cromatico sia necessariamente più difficile da ottenere per il sistema visivo. L'informazione cromatica spesso fornisce costrizioni aggiuntive che rendono la costanza più semplice.
LA COSTANZA DEL COLORE CROMATICO è la percezione di proprietà invarianti di uno spettro di superficie riflettente malgrado il cambiamento nell'illuminazione e le condizioni visive. Tu probabilmente non hai mai pensato a questo come ad un problema perché gli oggetti sembrano avere approssimativamente lo stesso colore quando sono differentemente illuminati: sotto cieli nuvolosi vs cieli limpidi, alla luce mattutina vs quella di mezzogiorno vs quella pomeridiana, sotto lampadine al tungsteno vs quelle fluorescenti vs quelle alogene. Le rose sembrano rosse, le viole viola ed esse non sembrano cambiare colore quando la luce cambia. Ma il fatto è che differenti sorgenti di luce possono avere sostanzialmente differenti spettri di illuminazione e possono perciò provocare la stessa superficie alla presenza di diversi spettri di luminanza all'occhio, come fig.3.3.2.
Un meccanismo che generalmente è considerato essere importante nella costanza del colore è l'adattamento cromatico. Se i recettori nell'occhio - e più lontano lungo la catena neurale del processo - affaticati a causa della presenza costante di una componente verde introdotta da occhiali da sole tinti di verde, per esempio i coni M, inizieranno subito ad essere meno attivi, non badando alla componente verde aggiuntiva derivante dagli occhiali. Questo mutamento nell'aspetto dei colori dovuto all'adattamento cromatico è finalizzato ad aiutare la costanza cromatica. Ciò nonostante, l'adattamento non è il solo meccanismo complesso - o addirittura il principale - per la stessa ragione già discussa a proposito degli effetti di adattamento alla costanza di bianchezza.
VINCOLI AL PROBLEMA. La costanza del colore nell'uomo, sebbene non perfetta, è eccezionalmente buona. Il colore percepito di ogni regione di un Mondrian cromatico è largamente determinato dallo spettro di riflettanza, anche se la luce che entra nell'occhio ( lo spettro di luminanza ) è attualmente il prodotto del suo spettro di riflettanza e dello spettro della luce che illumina. Così il sistema visivo è in qualche modo capace di separare l'informazione della lunghezza d'onda nella luce illuminante dall'informazione della lunghezza d'onda nella superficie riflettente. Teoricamente, questo è un altro problema inverso senza un'unica soluzione. Ma la performance del sistema visivo prova che questo problema deve essere largamente risolvibile in virtù del fatto che le persone riescono ad ottenere un'approssimativa costanza del colore in condizioni normali. Dalle assunzioni euristiche fatte che sono generalmente ( ma non sempre ) vere, si presume che il sistema visivo aggiunge informazione. Noi non sappiamo ancora come è ottenuta la costanza del colore, ma stiamo iniziando a comprendere come essa lavori.
Il problema nella costanza del colore è che, logicamente parlando, ci sono sei parametri sconosciuti per ogni regione ( tre per la luce illuminante e tre per la riflettanza della superficie ) ma solo tre osservazioni sono disponibili nell'immagine ( gli output dei tre tipi di coni ) risultando dall'effetto combinato di entrambe, luce incidente e superficie riflettente. Questo è un problema teoreticamente insolubile perché ci sono più parametri non conosciuti che conosciuti. Ma la situazione di un osservatore in condizioni di visione naturale non è così indeterminata per tre ragioni:
1. coerenza nella luce illuminante all'interno di una singola scena;
2. una gamma ristretta degli spettri di illuminazione in condizione di illuminazione normale;
3. una gamma ristretta di spettri di riflettanza.
Consideriamo ognuno di questi tre vincoli:
1. CONSISTENCY OF ILLUMINATION la prima riduzione utile del numero di parametri liberi è che le proprietà cromatiche della fonte di luce ( sua tinta e saturazione ) sono probabilmente le stesse ( o molto simili ) per tutte le regioni, anche se l'intensità della luce può variare a causa di ombre, distanza dalla luce, orientamento della superficie e simili. Per parti dell'immagine nelle quali l'intensità della luce è anche costante, il numero di parametri liberi è ridotto quasi a metà. Per esempio, se ci sono dieci regioni complanari di differente riflettanza in un Mondrian che sono equamente illuminate da una singola sorgente di luce, non ci sono sessanta indipendenti variazioni dei parametri nell'immagine ( sei per ognuna delle dieci regioni ), ma solo trentatré ( tre per la riflettanza di ognuna delle dieci regioni più ancora tre per l'illuminazione costante ) e trenta osservazioni conosciute. Nota che anche sotto questa condizione più ristretta, il problema non ha un'unica soluzione, ma il divario è velocemente risolvibile. Nota anche che per produrre questo lavoro schematico, il sistema visivo deve in qualche modo essere capace di discriminare tra bordi che sono dovuti a cambiamenti di illuminazione e quelli che sono dovuti a cambiamenti di riflettanza ( vedi sotto ).
2. RESTRICTED ILLUMINANTS la seconda costrizione utile è che noi non incontriamo tutte le possibili fonti di luce sotto le condizioni di visione normale, ma una gamma ristretta. L'illuminazione naturale differisce nelle varie condizioni ( nuvoloso vs soleggiato, mattina vs pomeriggio ), e le luci artificiali ( incandescente e fluorescente ), più frequentemente usate differiscono da ogni altra in maniera più evidente ( vedi fig.3.3.2 ). Ma queste illuminazioni non sono molto differenti da ogni altra. Le fonti di luce cromatica si incontrano raramente - eccetto nelle luci da palcoscenico e negli esperimenti di percezione - e la costanza del colore tende a vacillare sotto queste condizioni. La gamma ristretta di illuminanti standard significa che è sufficiente che il sistema tenga conto di alcune possibili variazioni dell'illuminazione, non di tutte.
3. RESTRICTED REFLECTANCES una terza costrizione utile è che non tutti i possibili spettri di riflettanza di superficie sono presenti nel mondo naturale e quelli che sono presenti tendono ad essere regolari piuttosto che frastagliati e scomponibili in un piccolo numero di funzioni di riflettanza ( Cohen, 1964 ).
Maloney e Wandell ( 1986 ) concepirono un algoritmo per ottenere una costanza di colore cromatica approssimativa prendendo i vantaggi di tutti e tre i tipi di vincoli. Il loro algoritmo assume un singolo comune illuminante e differenti modelli di sorgenti di luce e differenti superfici riflettenti come combinazioni lineari di solo due o tre diversi spettri di illuminazione e riflettanza sottostanti. In queste condizioni esso mostra una costanza di colore approssimativa che è simile a quella ottenuta dagli umani ( Brainard e Wandell, 1991, 1992 ).
Shepard ( 1992 ) ha speculato su una spiegazione innovativa per le basi tridimensionali della visione del colore e la sua struttura per colori opponenti che è basata su argomenti concernenti la costanza di colore. Egli afferma che la visione umana del colore è tridimensionale perché essa si è evoluta per fornire alle persone una costanza di colore nelle normali variazioni della luce giornaliera, che ha essenzialmente tre gradi di libertà ( Judd e coll. 1964 ). L'affermazione che "le variazioni della luce giornaliera hanno tre gradi di libertà" significa che i diversi spettri della luce giornaliera che un organismo incontra normalmente possono essere approssimati aggiustando solamente tre parametri che hanno le seguenti interpretazioni fisiche:
1. LIGHT/DARK LEVEL: la somma totale di luce presente, variando da quella del sole di mezzogiorno alla luce lunare od ombra profonda;
2. BLUE/YELLOW BALANCE: la somma relativa di lunghezze d'onda corte ( BLUE ) vs altre lunghezze d'onda ( centrate sul giallo ) come determinato dalla dispersione selettiva di lunghezze d'onda corta della luce dalle stesse molecole d'aria;
3. RED/GREEN BALANCE: la somma relativa di lunghezze d'onda lunghe ( RED ) vs altre lunghezze d'onda ( centrate sul verde ), come determinato dall'angolazione del sole nel cielo e la somma di vapore acque presente nell'aria ( poiché il vapor acqueo assorbe selettivamente la lunghezza d'onda lunga della luce ).
Se il ruolo rivoluzionario della visione del colore permette agli organismi di percepire la riflettanza delle superfici come approssimativamente costante rispetto alle variazioni della normale luce giornaliera, allora un modo per raggiungere questo obiettivo è quello di determinare effettivamente queste variazioni dal processo compensativo interno. La struttura nero/bianco, rosso/verde, blu/giallo della visione del colore può essere un adattamento evolutivo per compensare la struttura dei cambiamenti della normale luce giornaliera. La congettura affascinante di Shepard è altamente speculativa, ma non ha ancora un solido supporto empirico.
ANCORA SULLA DISTINZIONE TRA BORDI DI ILLUMINAZIONE E BORDI DI RIFLETTANZA
La soluzione finale al problema della costanza del colore certamente richiederà gli stessi tipi di informazione della costanza della bianchezza. Tra le più importanti c'è la distinzione tra bordi di illuminazione e di riflettanza. Dato che alcune delle più utili informazioni per distinguere tra tali bordi dipendono dalle proprietà cromatiche dell'immagine, ora noi considereremo come questo possa essere raggiunto.
Rubin e Richards ( 1982 ) si resero conto che i bordi di riflettanza normalmente presentano spettri di luminanza assai diversi rispetto ai bordi di illuminazione. Il fatto importante è che un semplice cambiamento nell'illuminazione - come quello causato da un'ombra o da un cambiamento nell'orientamento della superficie - produrrà generalmente spettri di luminanza su lati diversi del bordo che sono qualitativamente molto simili ( fig.3.3.10A ). Comunque un cambiamento nella riflettanza di superficie - come quello dovuto a materiali o pigmenti diversi - produrrà generalmente spettri simili vs quelli differenti allora esso può distinguere tra bordi di illuminazione e riflettanza usando l'informazione cromatica. Come noi osservammo nella discussione sulla costanza della luminosità, questa informazione sarebbe enormemente utile nel ristabilire la riflettanza delle superfici visibili.
Rubin e Ruchards proposero due condizioni ( relative alle funzioni spettrali ) che comportavano cambiamenti nella riflettanza spettrale delle superfici: la presenza di incroci e di inclinazioni di segno opposto. Queste condizioni sono definite dalla relazione tra la luce riflessa delle due regioni di interesse in campioni di due differenti lunghezze d'onda. Essi sono più facili da capire nei termini dei grafici che mostrano l'ammontare di luce riflessa da ogni regione ad entrambe le lunghezze d'onda. La condizione dell'incrocio spettrale è illustrata nelle fig.3.3.11A e 3.3.11C ( Rubin & Richards, 1982 ). Essa considera il momento in cui le misurazioni nelle due regioni producono differenze opposte nella somma della luce alle due lunghezze d'onda, risultando nei grafici 3.3.11A e 3.3.11C. La condizione dell'inclinazione di segno opposto è illustrata nelle fig.3.3.11A e 3.3.11B ( Rubin & Richards 1989 ). Essa considera il momento in cui le slopes dei grafici delle due regioni hanno diversi segni: una va su e l'altra giù. Il fatto che queste due condizioni sono indipendenti è dimostrato dal quarto grafico nella fig.3.3.11, ognuno dei quali mostra una diversa coppia di presenza vs assenza delle due condizioni. Solo l'ultima condizione ( fig.3.3.11D ), mostrando l'assenza di entrambe, indica un caso nel quale la differenza nello spettro tra le due regioni è probabilmente dovuta ad un bordo di illuminazione.
Se il sistema visivo attualmente usa qualcosa di simile allo schema computazionale di Rubin & Richards per discriminare bordi di riflettanza da quelli di illuminazione noi non lo sappiamo ancora. Il sistema cromatico umano non ha accesso allo spettro completo della luce che arriva dalle superfici, per le ragioni che abbiamo discusso nel precedente capitolo. Comunque, esso ha due distinti canali cromatici - i sistemi opposti red/green e blue/yellow - e questi possono essere il meccanismo biologico che implementa alcune versioni dello schema di Rubin & Richards. Infatti è assai probabile che le condizioni per distinguere i bordi di illuminazione da quelli di riflettanza siano computate dall'uso di cellule doppie opponenti, menzionate brevemente nella sez.3.2.3. Queste hanno approssimativamente le giuste caratteristiche computazionali poiché il loro output rappresenta la differenza tra rosso-verde ( o blu e giallo ) in regioni spazialmente adiacenti.
SVILUPPO DELLA COSTANZA DEL COLORE:
La percezione della costanza della bianchezza e del colore cromatico della superficie non sembra essere una capacità innata. Sebbene questo problema si è cominciato a studiarlo da poco negli esperimenti dell'attenzione selettiva e di adattamento, i risultati mostrano che sia la costanza di colore cromatico che quello acromatico sono assenti alla nascita e si sviluppano nei primi mesi di vita. Lo sviluppo della costanza del colore nell'infanzia è stata studiata utilizzando il paradigma dell'adattamento ( DANNEMILLER 1989 ). In questa procedura, i bambini sono inizialmente adattati ad uno stimolo dato finché essi si stancano di guardare la stessa cosa. Ad essi viene nuovamente mostrato lo stesso stimolo od uno differente, e viene misurata la somma del tempo che essi trascorrono guardando lo stimolo test. Il risultato standard è che i bambini guardano più spesso lo stimolo nuovo piuttosto che quello familiare. In questo modo, uno può trovare se il bambino può o meno capire la differenza tra due set di condizioni stimolo.
Dannemiller ( 1989 ) usò questa tecnica per studiare la costanza del colore in bambini tra i 2 ed i 4 mesi di età. I bambini erano inizialmente adattati ad una superficie contenente regioni di due diversi colori ( regioni che hanno due diversi spettri di riflettanza ) che erano illuminati da un particolare spettro di luce giornaliera, 3.3.12A.
Ad essi era poi mostrato uno dei quattro schemi test illustrati nella fig.3.3.12B: la stessa superficie sotto la stessa illuminante ( stimolo 'SAME CONTROL' ), la stessa superficie sotto un illuminante diverso ( stimolo 'SURFACE CONSTANCY' ), una superficie diversa sotto lo stesso illuminante ( stimolo 'ILLUMINANT CONSTANCY' ) o una diversa superficie sotto un diverso illuminante ( stimolo 'DIFFERENT CONTROL' ). I bambini di 2 mesi guardavano più a lungo lo schermo test 'SURFACE CONSTANCY' piuttosto che lo schermo test 'SAME CONTROL'. Invece, essi guardavano lo schermo 'SURFACE CONSTANCY' tanto quanto guardavano lo schermo 'DIFFERENT CONTROL'. Questo pattern di osservazioni indica che essi non hanno la costanza del colore. I bambini di 4 mesi mostrano un pattern diverso. Essi guardano lo schermo 'SURFACE CONSTANCY' non più a lungo di quanto guardavano lo schermo 'SAME CONTROL' ma essi guardavano più a lungo entrambe

3.4. Lo stadio categoriale [137-142, Mariarita Lorenzutti]

Una volta che il carattere intrinseco di una superficie o luce colorata viene percepito e rappresentato internamente, si potrebbe pensare che l'elaborazione del colore sia completa. A un certo livello questo è vero, ma nella cognizione umana accade sistematicamente che le persone vadano al di là di una pura esperienza percettiva e classifichino le cose come membri di categorie, spesso apponendo un'etichetta verbale. Il colore non fa eccezione. Sangue fresco, pomodori maturi e certi tipi di mele sono tutti classificati come rosso, anche se ciascuno produce un colore particolare. Campi erbosi, foglie, e altri tipi di mele sono classificati come verdi, nonostante le ovvie differenze nel colore percepito. Questi sono solo due esempi di come le persone dividano il continuo rappresentato dallo spazio tridimensionale dei colori in categorie di colore separate.
L'importanza percettiva delle categorie del colore può essere dimostrata dall'aspetto "a strisce" dell'arcobaleno diviso o unito (Color Plate 3.9 A): perché percepiamo queste strisce? In termini fisici l'arcobaleno è un continuum di luce con lunghezze d'onda tra i 400 e 700 nm. Se la percezione dei colori è continua allo stesso modo, esso dovrebbe apparire come la transizione di bianchezza della figura 3.9A. Le evidenti strisce di colore dell'arcobaleno risultano dall'articolazione di questo continuum in categorie qualitativamente differenti. Benché si mescolino l'una con l'altra, con confini sfocati, noi vediamo distintamente delle bande di colore. Questo fenomeno suggerisce l'esistenza di un fondamento esperienziale per l'articolazione del colore in almeno alcune categorie.
Un altro fatto importante a proposito delle categorie del colore è che noi abbiamo semplici nomi per almeno alcune: rosso, verde, blu, giallo e così via. E' improbabile che questo sia accidentale. Forse non è chiaro chi viene prima: la divisione dei colori in categorie o le etichette verbali con le quali noi ci riferiamo ad esse. Noi categorizziamo i colori nel modo in cui li categorizziamo perché abbiamo queste etichette verbali o noi li etichettiamo in questo modo perché il sistema visivo li categorizza così? In questa sezione considereremo una varietà di prove a favore dell'idea che le categorie del colore fondamentali sono psicologicamente anteriori ai nomi dei colori. Infatti, ci sono eccellenti ragioni per credere che queste categorie di colore sono largamente determinate dalla fisiologia del sistema visivo umano. Presenteremo anche le idee correnti a proposito di come le categorie dei colori sono strutturate internamente e come queste sono in rapporto l'una con l'altra.

3.4.1. I nomi dei colori

Capire come le persone descrivono i colori linguisticamente sembra essere un compito difficile. Basta pensare (ad esempio) a tutte le parole in inglese che si riferiscono ai colori: rosso, verde, nero, bianco, rosa, marrone, blu-verde, rossiccio-marrone, oro, argento, cedro, ciclamino, malva, chartreuse e magenta, per elencarne alcune. Si considerino le dozzine di nomi di colori in una grande scatola di pastelli assortiti o le centinaia di colori dati per dipingere piccoli pezzi in un negozio di colori. C'è un qualche ordine che può essere trovato in questo caos?
La prima rivoluzione nelle conoscenze sulla categorizzazione dei colori proviene dalla ricerca trans-culturale nella denominazione dei colori: come le persone nelle differenti culture parlano linguaggi diversi, così applicano diverse etichette linguistiche. Gli antropologi cognitivi Brent Berlin e Paul Kay dell'Università della California a Berkeley, pubblicarono lo studio che definiva questo problema nel 1969.
Prima del lavoro di Berlin e Kay, la nominazione dei colori era vista come un chiaro esempio del relativismo culturale: l'idea che ogni cultura (e lingua) impone la sua propria struttura idiosincratica sul flusso caleidoscopico individuale delle esperienze cromatiche. In linguistica quest'idea è conosciuta come l'ipotesi di Sapir-Whorf, in riferimento al nome di due dei suoi più forti sostenitori, Edward Sapir e Benjamin Lee Whorf. Un ben noto esempio di quest'idea è la nozione che gli eschimesi hanno più di una dozzina di differenti parole per riferirsi alla neve e al ghiaccio. In accordo con il relativismo culturale, ogni cultura crea le sue proprie parole per riferirsi alle categorie in base al loro bisogno, quindi gli eschimesi pensano di avere un grosso bisogno di distinguere fra i differenti tipi di ghiaccio e neve piuttosto degli aborigeni australiani che non hanno mai visto quella cosa. Il relativismo culturale non afferma solo il ruolo della cultura nel determinare le categorie dei colori usate dall'uomo, ma anche rifiuta la possibilità che la struttura fisica, psicologica e biologica abbia giovato alla sua determinazione.

Come dice Gleason (1961), autore di un testo famoso:

"Lungo lo spettro i colori variano in modo graduale. Tuttavia un americano elencherà i colori come rosso, arancio, giallo, verde, blu e viola o qualche cosa del genere. Non c'è nulla di intrinseco né nello spettro né nell'umana percezione che dovrebbe vincolare questa particolare divisione dello spettro."

Simili affermazioni furono confutate dalle scoperte di Berlin e Kay. Essi iniziarono il loro attacco alla visione relativistica delle categorie dei colori focalizzando i loro studi su un piccolo sottoinsieme dei nomi dei colori. Essi definirono il concetto di termini base del colore come descrizioni linguistiche di colore che rispettano i seguenti criteri:

1. Unità lessicali. I termini base di colore devono essere termini singoli come rosso, giallo, marrone. Questo criterio porta a eliminare dai termini base di colore le espressioni come verde-blu, quasi bianco, blu chiaro.
2. Riferimento cromatico primario. I termini base di colore devono riferirsi anzitutto al colore degli oggetti e dei materiali piuttosto che agli stessi oggetti e ai materiali. In base a questo criterio vengono eliminati termini come oro, argento, limone, ebano, e simili. (Si potrebbe così scartare anche arancio, ma Berlin e Kay permettono questa eccezione perché ci sono culture che hanno l'arancio come termine di colore senza un termine corrispondente per le arance (oggetti) o per altri oggetti di colore simile.
3. Generalità d'uso. I termini base di colore devono essere largamente utilizzabili per tutti i tipi di oggetti. Questo elimina i termini di colore rivolti solo a ristrette serie di oggetti, come biondo (usato specificamente per il colore dei capelli ) o roano (per i cavalli).
4. Alta frequenza. I termini base di colore devono essere usati frequentemente nel linguaggio. Questo esclude termini astrusi pur in grado di soddisfare i criteri precedenti, come vermiglione.
[I termini nel testo non vanno molto bene in italiano: mauve (un certo rosa chiaro, ma la cui origine è malva), puce (un certo rosso cupo, ma la cui origine è pulce), taupe (un certo grigio sporco, ma la cui origine è talpa); quindi nessuno di questi termini è in regola con il criterio 2]. (Questi termini sono utili per professionisti che trattano le sottili sfumature del colore, come gli arredatori, anche se molte persone non sono sicure del loro significato.)

In inglese questi quattro criteri riducono la serie dei termini base a soli undici: rosso, verde, blu, giallo, nero, bianco, grigio, arancio, viola, marrone, rosa. Ci sono alcuni casi marginali come il beige e il tan (marrone-rossiccio), ma noi seguiremo Berlin e Kay identificando questi undici come l'insieme dei termini base di colore per l'inglese.
Quando Berlin e Kay esaminarono sperimentalmente 20 lingue (e altre 78 attraverso una rassegna della letteratura) essi scoprirono due regolarità degne di nota.

1.Sedici termini di colore. Inizialmente Berlin e Kay (1969) trovarono solo 12 termini base nelle varie lingue esaminate (magari presenti in una sola lingua): gli 11 presenti nell'inglese più uno che si riferisce al blu chiaro (analogamente al rosa rispetto al rosso [QUELLO CHE IN ITALIANO CHIAMIAMO AZZURRO]). Più tardi altri studi portarono il numero a 16, con l'aggiunta di 4 nomi di colori che comprendono più di un colore base in inglese: caldo (rosso + giallo), freddo (blu + verde), caldo chiaro (bianco + rosso + giallo) e freddo scuro (nero + blu + verde) (Kay e McDaniel, 1978).
2.Ventidue sottoinsiemi. Berlin e Kay trovarono solamente 22 differenti sottoinsiemi dei 16 termini base, rispetto al milione di combinazioni logiche (216-1 [CONTROLLARE]). Inoltre i sottoinsiemi effettivamente trovati non erano, ma presentavano le sorprendenti regolarità illustrate nel diagramma in figura 3.4.1.

La regola sottostante i 22 sottoinsiemi di termini base può essere interpretata come un vincolo evolutivo per l'acquisizione dei nomi dei colori. Come illustra la figura 3.4.1, se una lingua ha solo due termini base per i colori essi sono sempre caldo-chiaro e freddo-scuro. Se ne ha tre sono sempre: bianco, caldo e freddo-scuro; e cosi' via , ogni volta aggiungendo il successivo termine base (andando verso destra, nella figura). Ci sono anche evidenze a favore dell'ipotesi che questa disposizione logica rappresenti la sequenza temporale con la quale le lingue si sviluppano, aggiungendo nuovi termini.
Entrambe queste regolarità indeboliscono la credibilità delle ipotesi del relativismo culturale, che in effetti non predice non regolarità. I fatti evidentemente contraddicono questa opinione e supportano invece l'ipotesi alternativa, quella degli universali linguistici: l'idea cioè che il linguaggio sia determinato o dagli invarianti fisici caratteristici della struttura ambientale o dagli invarianti biologici caratteristici della struttura dell'organismo (o da entrambi). L'evidenza favorisce fortemente le determinanti biologiche. Si noti, per esempio, che i primi 6 termini corrispondono ai poli dei processi opponenti di Hering (nero-bianco, rosso-verde, blu-giallo). Data l'evidenza fisiologica a favore dell'esistenza di cellule con questo tipo di specializzazione, la supremazia di questi 6 termini nella denominazione dei colori può essere spiegata in funzione di questa struttura biologica universale. Non è del tutto chiaro perché i nomi dei colori appaiono in questa particolare sequenza, ma potrebbero comunque esserci ragioni fisiologiche. La conclusione fondamentale del lavoro di Berlin e Kay riguarda la determinazione genetica della struttura dei termini di colore. Questa conclusione non nega che ci siano comunque altri aspetti della denominazione dei colori che sono determinati dalla cultura: per esempio, termini come turchese, ruggine, oro, o zucca non potrebbero essere usati per riferirsi ai colori se in una data cultura non ci fossero nomi corrispondenti per certi oggetti noti.

3.4.2 Colori focali e prototipi

Uno dei problemi chiave affrontato da Berlin e Kay nelle loro ricerche sui termini base per i colori fu come definire le categorie del colore. Il punto di vista classico risale ad Aristotele, il quale propose che l'appartenenza a una categoria fosse definita dalla presenza di un insieme di condizioni necessarie e sufficienti.
Questo punto di vista implica che tutti gli esempi di una categoria siano ugualmente "buoni" (cioè ugualmente rappresentativi), poiché ciascuno ha tutte le caratteristiche richieste. L'idea che emerge dalla ricerca di Berlin e Kay sulle categorie del colore è completamente differente per il fatto che gli esempi migliori o più rappresentativi, chiamati prototipi, giocano un ruolo speciale nella strutturazione delle categorie del colore. Ora esamineremo l'evidenza a favore di questa asserzione.
Nelle 20 lingue da loro studiate sperimentalmente, Berlin e Kay determinarono quali colori potevano essere descritti usando certi termini base. Essi provarono due metodi. Con il metodo del confine tra colori essi mostrarono ai loro informatori un insieme ordinato di 329 campioni Munsell (apparteneti alla superficie esterna del solido dei colori) e gli chiesero di indicare tutti i campioni cui si può applicare un dato termine di colore. Essi trovarono che gli informatori erano in grado di scegliere gli esempi migliori molto più velocemente e attendibilmente rispetto agli esempi di confine. Berlin e Kay chiamarono questi esempi migliori colori focali e suggerirono che le categorie del colore erano strutturate intorno a questi piuttosto che intorno ai confini. L'idea che le categorie del colore sono basate su esempi prototipici ricevette un supporto sorprendente da una quantità di studi classici di Eleanor Rosch (che in un primo tempo si firmava Eleanor Heider), una psicologa cognitiva dell'Università della California, Berkeley.
La Rosch studiò diversi aspetti della caratterizzazione del colore nella tribù Dani nella Nuova Guinea. I Dani hanno l'insieme minimo, con due soli nomi di colore base: mola e mili (corrispondenti approssimativamente a chiaro-caldo e scuro-freddo, rispettivamente. Rosch studiò la memoria per i colori dei Dani mostrando loro una serie di campioni Munsell e chiedendogli di raccogliere in memoria i colori precedentemente presentati in una larga schiera di frammenti di colori. Come previsto dalla teoria dei prototipi trovò che essi imparavano nuove categorie più facilmente quando i colori ai quali essi si riferivano si trovavano sui colori focali trovati in altri linguaggi - per esempio, i migliori esempi di rosso, verde, blu e giallo - più che quando si trovavano sul confine tra colori focali. I risultati indicarono che, in accordo con i prototipi, imparare nuove categorie era in realtà più facile in condizioni strutturate intorno ai colori focali. (Rosch 1973)
Rosch ha confermato molte ulteriori previsioni della teoria dei prototipi per le categorie del colore in una varietà di compiti sperimentali. Per esempio in uno studio su studenti di college americani, questi dovevano indicare il più velocemente possibile se un dato colore era un esempio della categoria descritta da un nome appena presentato. I risultati mostrarono che i soggetti erano più veloci a rispondere "sì" per i colori focali che per quelli non focali. (Rosch 1975). Più specificamente, trovò che la latenza di queste risposte aumentava sistematicamente come funzione della lontananza del colore dal prototipo nello spazio colorato.
In un altro studio Rosch (1975b) si servì di studenti del college per calcolare la somiglianza di un colore con un altro e trovò che i soggetti percepivano colori non focali come più familiari rispetto a quelli focali che viceversa. Ulteriori studi hanno mostrato che i bambini imparano i nomi dei colori focali prima e quelli dei colori più periferici successivamente (Mervis, Catlim, Rosch 1957). Sulla base di questi e altri risultati Rosch (1975b) ha proposto che i colori focali servono come punti di riferimento cognitivo per le categorie del colore, relativamente ai quali altri colori vengono imparati, categorizzati e codificati in memoria.
Tutti questi risultati indicano che i colori prototipici svolgono un ruolo cruciale nella rappresentazione interna delle categorie del colore. Componenti delle categorie del colore non sembrano essere definiti in termini di condizioni necessarie e sufficienti come dice la teoria aristotelica; piuttosto essi sembrano essere rappresentati in relazione con i prototipi. Come vedremo nel capitolo 9, questa concezione delle categorie del colore generalizza un'ampia varietà di categorie naturali ed ha ora sostituito la teoria aristotelica come concezione teorica standard della struttura interna delle categorie naturali nella mente umana.

3.4.3 Un modello a logica fuzzy per la denominazione dei colori

Molti dei risultati sperimentali sulle categorie base e sulla denominazione dei colori possono essere spiegati da un modello di classificazione del colore proposto da Paul Kay e Chad McDaniel (1978), a quel tempo entrambi all'Università della California, Berkeley. Nel loro modello l'appartenenza alla categoria dei colori è formalizzata in termini della teoria degli insiemi fuzzy, una modificazione ed estensione dei concetti dell'insiemistica classica, sviluppata dallo scienziato informatico Lotfi Zadeh (1965, 1978) anch'esso dell'Università della California, Berkeley. Per capire questa teoria faremo una breve digressione sulla differenza tra insiemi classici e insiemi fuzzy.

Teoria degli insiemi fuzzy. La teoria degli insiemi classica è compatibile con la nozione aristotelica di appartenza categoriale, nel senso che ciascun oggetto o è un componente di un insieme dato oppure no; non ci sono situazioni intermedie. L'appartenenza a un insieme classico può quindi essere concepita come una funzione che assegna a ciascun oggetto un valore pari a 1 se esso soddisfa le condizioni necessarie e sufficienti per l'appartenenza all'insieme oppure pari a 0 se ciò non avviene. Nella teoria degli insiemi fuzzy di Zadeh un elemento può appartenere a un insieme in un certo grado. Il grado di appartenenza è specificato da una funzione che mette in corrispondenza ogni oggetto con una variabile continua tra 0 (sicuramente non membro) e 1 (prototipo). Diversamente dalla teoria classica, quindi, la teoria degli insiemi fuzzy può rappresentare in modo naturale dei gradi intermedi di appartenenza a un insieme.
Nelle categorie del colore, ciò significa che un colore focale o prototipico verrà rappresentato come avente un grado di appartenenza pari ad 1 per la sua categoria. I colori non focali avranno un grado di appartenenza che decresce sistematicamente con la distanza dal colore focale nello spazio del colore. Questo concetto è illustrato in forma idealizzata nella figura 3.4.2 per le categorie base del blu, del verde , del giallo e del rosso. Si noti che i colori non prototipici hanno un grado intermedio di appartenenza a più di una categoria. Per esempio, i blu-verdi sono, in un certo senso, membri di entrambe le categorie: dei blu e dei verdi, in un grado che dipende dalla loro vicinanza ai colori focali blu e verde. Se l'aumento del tempo necessario a decidere se un dato colore è membro di una data categoria è inversamente proporzionale al valore della sua appartenenza fuzzy per quella categoria - con alti valori di appartenenza si producono brevi tempi di reazione - allora questo modello fuzzy spiega molto semplicemente ed elegantemente i risultati della Rosch (colori focali classificati più velocemente dei non focali). La teoria classica non può spiegare in modo ovvio i risultati della Rosch.

Categorie del colore primarie, derivate e composte. Kay e McDaniel (1978) proposero che ci sono attualmente tre tipi di categorie di colore dipendenti dai 16 termini base. Le 6 categorie primarie sono basate direttamente sui 6 primitivi biologici del sistema visivo: nero, bianco, rosso, verde, blu e giallo (Questi sono esattamente i poli nella teoria dei processi opponenti di Hering). Inoltre proposero che altri termini base potessero essere analizzati applicando operazioni della logica fuzzy alle categorie primarie del colore. Queste operazioni sono le versioni fuzzy delle operazioni logiche AND (intersezione) e OR (unione).
Se X e Y sono due insiemi fuzzy, "X AND Y" è definita dalla loro intersezione fuzzy. L'intersezione fuzzy di due categorie fuzzy è definita dalla sovrapposizione illustrata nella figura 3.4.3A. Nella teoria di Kay e McDaniel l'intersezione fuzzy è modificata come indicato nella figura 3.4.3B, con un massimo di 1 al punto in cui le due funzioni di appartenenza si incrociano e una diminuizione regolare su entrambi i lati fino allo 0 nel punto in cui ogni funzione di appartenenza vale 0. Quindi, ogni componente della categoria fuzzy dell'arancione, che essi definiscono come "rosso AND giallo", è necessariamente sia rosso sia giallo in gradi variabili; ma i componenti centrali sono componenti migliori della categoria dell'arancione rispetto a entrambe le categorie rosso e giallo. In accordo con le analisi di Kay e McDaniel, quindi, l'arancione è l'intersezione fuzzy "rosso AND giallo", il grigio è "nero AND bianco", il porpora è "rosso AND blu", il rosa è "rosso AND bianco", il marrone è "giallo AND nero" (il marrone è in effetti un giallo-arancione scuro e desaturato). Kay e McDaniel le chiamano categorie derivate di colore, perché derivano dall'intersezione fuzzy delle categorie primarie.
I soli termini base ancora da definire nei termini dell'insiemistica fuzzy sono quelli dei sistemi di denominazione di colore meno sviluppati (caldo, freddo, chiaro-caldo e scuro-freddo) che Kay e McDaniel chiamano categorie composte di colore. Esse sono definite dall'OR della logica fuzzy, l'unione fuzzy di due funzioni di appartenenza a due colori primari. L'unione fuzzy di due insiemi fuzzy è semplicemente il massimo delle due funzioni di appartenenza, come illustrato nella figura 3.4.4. Quindi, caldo è l'unione fuzzy "rosso OR giallo", freddo è "blu OR verde", chiaro-caldo è "bianco OR rosso OR giallo", scuro-freddo è "nero OR blu OR verde". La loro forma multimodale (la presenza di più mode, cfr. figura 3.4.4) si accorda bene con il fatto che i termini compositi producono una maggiore variabilità nella scelta del miglior esempio, rispetto ai termini primari e derivati. Per esempio, alcuni informatori di fronte al compito di scegliere il miglior esempio di caldo, sceglierebbero un rosso focale e altri sceglierebbero un giallo focale, mentre altri sceglierebbero esempi di arancione intermedio.
Questo modello fuzzy per le categorie di colori è coerente con un gran numero di scoperte sulla denominazione umana dei colori e sulla categorizzazione. Inoltre esso lega queste funzioni cognitive di alto livello a ciò che è conosciuto a proposito della sottostante fisiologia dell'elaborazione umana dei colori, in un modo elegante e sistematico. (NOTA 9: Anche se il collegamento con i meccanismi fisiologici per i colori opponenti on è così diretto…) E' per questa ragione che ho sostenuto all'inizio della nostra discussione sulla percezione dei colori che questo argomento costituisce un eccellente esempio dei vantaggi di un approccio interdisciplinare. Nel corso di questo capitolo abbiamo contato su importanti contributi dalla fisica, dalla psicologia, dalla fisiologia, dall'informatica, dalla linguistica e dall'antropologia cognitiva. L'integrare i risultati provenienti da questi diversi campi ha aggiunto molto per ampiezza e profondità alla nostra comprensione della percezione del colore. Gli argomenti che considereremo nel resto del libro non sono ancora così ben sviluppati, ma il successo di un approccio interdisciplinare alla percezione del colore suggerisce che ciò porterà buoni frutti in altre aree. Esso sta già avendo un notevole impatto, come vedremo.