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爱犯错的智能体 -- 视觉篇(九): 抽象的颜色: 热度 5 heruspex 2018-10-7 08:21; 这双鞋有色差，左边的比右边深一点，你难道没发现吗？我仔细看了半天，愣是没看出差别！不过，我还是陪着她就鞋子的色差一起去店老板那理论了一番，虽然心里有点虚。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 颜色感知是视觉的基本功能之一，也是智能的基本元素之一。可是，颜色从何而来呢？为什么会有这些功能呢？它又是如何被认知的呢？一、颜色的来源众所周知，自然界中充斥着电磁波。按波长由短到长来划分，电磁波包括了伽马射线、 X 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波等。与整个电磁波谱近 10 的 16 次方级差的波长范围相比，可见光只分布在 380nm( 纳米 ) 到 760nm 之间，简直是太宅了 ( 窄 ) 。而偏偏是这段窄得不能再窄的波谱，对人类的生存和智能发展却起了重要作用。为什么人类没有选择其它更宽的波谱来形成颜色视觉呢？ � � 图 1 左：电磁波谱与可见光；右：电磁波在进入地球大气后的分布一种可能的解释是，虽然自然界的电磁波分布广泛，但由于大气的保护作用，如臭氧层吸收掉了大量对大多数生物有害的紫外线、大气中的二氧化碳吸收掉了大量的远红外线、水蒸气吸收了近红外和微波，最终能进入地球大气层并到达地面的太阳辐射便以可见光谱范围为主，如图 1 右所示。而人类在演化中就选择了能量最强的这段光谱来感知世界，所谓之人择原理。然而，同样是电磁波，只是波长频率上的不同，为什么只有可见光能呈现颜色呢？事实上这样说也不是完全精准，因为不同物种感知电磁波的能力是不同的，感受的颜色也有细微差异。比如蜜蜂。据说由于复眼的原因，蜜蜂能感受更短波长即紫外线段的差异。结果，在蜜蜂的眼里，白色的花可能会有不同的颜色。这方便了蜜蜂识别不同类型的白花，如图 2 所示。而众说周知的响尾蛇则能通过位于眼睛和鼻孔之间的 “热眼”感应到更长波段的红外线的强度变化，以此来区分活体与非活体。 � � � �图 2 人与蜜蜂视觉的差异 ; 下图：人眼中的白花 ( 左 ) 与蜜蜂眼中的白花 ( 右 ) 不同于这两种动物，人类的颜色视觉感知范围都在 380nm 到 760nm 之间。按波长长短，粗分成了如彩虹的“红橙黄绿蓝靛紫”的颜色变化。国际照明协会也给出了无法通过其他颜色混合而成的相加三基色，即红、绿、蓝的波长定义，尽管每个基色实际都有一定的变化范围。考虑到打印、油画的颜色是通过反射获得的，它还给出了相减三基色，即青色、品红、黄色的定义。 � � 图 3 相加三基色与相减三基色不管如何定义，人类对颜色的感知方式基本是一致的。目前公认的是杨一赫姆霍兹 (Young-Helmholtz) 三原色学说，即认为视觉系统中存在对红、绿、蓝三基色光线特别敏感的 3 种视锥细胞、或相应的 3 种感光色素。其它颜色的光线则作用于这三种视锥细胞并进行混色，并形成相应颜色的感觉。该学说解释了混色现象的原因，但还不能满意的说明色盲、补色现象、负后像等现象。类似的学说还有，也无法形成圆满解答。另外，视觉神经元对三基色的感知的敏感差异也基本相同。如主要负责蓝色感知的视蓝素，虽然总量少，但却最为敏感。因为存在这些一致性，颜色感知才能有利于人类形成对世界大抵相同的观点、对物体的共同印象和概念、对情绪和心理的共同感受。二、颜色的功能和错觉如果人类只能感受光线的强弱，而无法感知颜色，那必然会少了不少能力和乐趣。因为有了颜色的感知，于是在智能发展上便有了很大的提升。第一个重要的提升是对目标识别能力的改善。随手拍张照片，如果换成黑白色，就会丢失不少结构信息，甚至彩色图像可能反映出来的深度信息也会损失不少。这是光强与颜色差异的区别。不仅如此，从视神经元的感受能力也能发现巨大的差异。人对光强度的分辨能力一般在 20 个灰度级左右，但对颜色的分辨却能上好几次数量级。这无形中拉大的目标或物体之间的区分度，为人类提高和加速识别目标提供了有利条件。人类也把这一技术挪到计算机上用于其他任务的识别。如 AlphaGo 直接把围棋的棋盘视为颜色在棋盘上的分布，并根据分布来判断每一个棋局的输赢。人类还把这一技术用到原本不可见的光谱上，如机场的 X 光机，帮助更有效地分辨危险物品。甚至将用于声波反射构成的医疗图像，如给 B 超图像着色，以提高医疗诊断的有效性。值得指出的是，颜色分辨能力在男女之间有着明显的差别。男性对颜色的敏感程度，从平均意义来讲，要远低于女性。打个不恰当、夸张的比方，男性能认全彩虹里的“红橙黄绿蓝靛紫”就不错了，女性却可能认识上千种颜色。不信的话，女性同胞们可以把图 4 中不同种类的口红颜色让男性朋友辨别下。 � � 图 4 不同种类的口红不过颜色认得少也不见得全是坏事，比如怕“鬼”的多是女性，有可能就跟颜色看得太多、容易产生的联想更丰富有关。为什么要在智能体上形成性别差异如此明显的颜色感知呢？难道是有助于提升智能体的情感交互？有一点可以肯定的是，颜色确实会影响人类情感的表达。不然，买那么多种口红就没意义了。颜色有的时候还可以帮助掩饰真实情感，如用艳丽的口红来掩饰不愉快的心情。不同的色彩也能影响人对观察到的事件的判断，甚至给出截然相反的结论，如图 5 的着色。 � 图 5 颜色错觉：救人还是？图 6 颜色影响图像的格调 ( 注：来自影像视觉杂志 ) 除此以外，颜色对于图像高层语义的表达也很重要。在摄影作品中，有时为了追求特殊的美感，会有意将照片的颜色退去，以形成所谓的高调、低调的黑白照片。但在多数情况下，彩色照片仍然占主导地位。在彩色图像上同一场景颜色明暗的变化会导致不同的感受，如图 6 。该图只是在颜色的明暗上做了些微变化，就影响了对图像中人物心情是忧郁还是略显阳光的判断。另外，现有的与人工智能相关的诸多应用，都会或多或少考虑对颜色的处理。如图像修复 (Image Inpainting) 中，需要考虑缺失部分与未缺失图像之间的颜色一致性；图像标注 (Image Captioning) 任务需要考虑颜色带来的意境。值得指出的是，古往今来的文人墨客从不吝啬用笔墨来描绘五彩斑斓的颜色。举例来说，鲁迅在《野草》中就有一句对寒冬时节花草颜色的描述：雪野中有血红的宝珠山茶，白中隐青的单瓣梅花，深黄的磬口的蜡梅花；雪下面还有冷绿的杂草。聊聊数笔，一幅有颜色的画面便跃然纸上。试想，如果没有颜色的细分，只有光的强度变化，由智能体、人类撰写的文学作品肯定会逊色不少。三、抽象颜色的认知既然颜色在智能体中起了如此广泛、重要的作用，颜色的辨识又是在何时被固化到人的视觉中枢呢？要回答这一问题，还可以先问另一个问题。有多少人去观察过儿童的发育，观察过儿童在不同年龄阶段对物体、概念的学习能力呢？本人曾对某儿童的成长进行过长时间的观察。从我个人的经验来看，颜色是儿童在 1 岁以后才能学会和理解的。有别于有形物体的学习，颜色在早期发育中是比较难以学好的概念，因为它是触不到，摸不到的。在儿童最初的物体学习阶段，触摸很重要。因为即使是同样的物体，如果不去触摸，人也会因因观察角度、透视角的不同，对物体产生不同的视觉感知。通过触摸，可以消歧，得到对物体更全面的了解和形成唯一的概念标签。然而，颜色却是无法触摸的。在父母通过听觉系统向小孩传授这一概念的时候，儿童只能依赖视觉获取的信息来推测。但听觉信息传授的概念具有很强的多义性，比如说一堵墙是红色的。小朋友在无法触摸颜色时，即使父母通过手势来辅助传授，他 / 她也并不会清楚红色是特指什么，尤其在他 / 她习惯了通过触摸来帮助学习物体的时候。通过观察颜色的传授过程，我发现：与有形物体相比，颜色尽管能够看到，要给其贴上的标签如红色、绿色等却是相对抽象的、略为高级的语义概念。结果，这个抽象的颜色，儿童需要花比学习有形物体更长的时间来理解，才能形成准确的抽象概念表征。同时，抽象的概念也使得颜色的认知往往会滞后于实体目标的学习。 � � 图 7 不同色盲的颜色感知所以，颜色虽然是与生俱来的，但最终还要通过传授完成标定，并形成认知上的统一。然而，值得注意的是，这种认知上的统一，并不能解决因为基因或其他原因引起的色盲，甚至可能导致危险。比如我们常见的红色 / 绿色色盲患者，其在颜色的感知上对红色与绿色是没有区分的，如图 7 所示。但是，这并不意味着他 / 她在熟悉的场所会因为区分不了这两种颜色而出问题。因为，在儿童期的颜色学习时，父母会通过听觉和手势来帮助区分颜色会处的位置。比如红绿灯。尽管颜色感知相似，但在交通灯的位置往往是不同且相对固定的。所以，在熟悉地段，红 / 绿色盲患者是能正常生活的。但危险来自于，去陌生地方的时候。如果红绿灯位置产生变化，那红 / 绿色盲患者就会有潜在的危险。除此以外，这类患者在理解艺术作品中的情绪、美感上也可能会产生严重的偏差。当然，如近视眼创造的印象派一样，也不排除色盲患者会画出不同于常人、别具一格的杰作。从颜色的传授还能看到，人对颜色甚至知识的学习似乎是从具体到抽象逐渐过渡的，而不会一开始就接触非常抽象的概念。如果想建构一个拟人的智能体，是否也应该遵循这一规范呢？是否不应该从相对于视觉更为抽象的自然语言处理开始着手呢？而作为人工智能的研究者和爱好者，不妨也尝试观察下，自己的小孩什么时候能学会判断颜色和其他抽象概念。是否比学习实体的概念更困难？观察新生儿的发育过程，尤其是 0-3 岁时期的，应该能对人的智能发育形成更直接、一手的了解。如果多些人去尝试，也许能得到很多统计意义上的、关于智能的新发现。参考文献： 1. Sharla Riddle. How Bees See and Why It Matters. May 20, 2016. https://www.beeculture.com/bees-see-matters/ 2. Michael Hanlon. A Bees-eye View: How Insects See Flowers Very Differently To Us. August 8, 2007. https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-473897/A-bees-eye-view-How-insects-flowers-differently-us.html 平猫 2018 年 10 月 7 日 � 延伸阅读： 11. 爱犯错的智能体--视觉篇(八)：由粗到细、大范围优先的视觉 10. 爱犯错的智能体 -- 视觉篇(七)：眼中的黎曼流形 9. 爱犯错的智能体--视觉篇(六)：外国的月亮比较圆? 8、爱犯错的智能体 - 视觉篇(五)：火星人脸的阴影 7、爱犯错的智能体 - 视觉篇(四)：看得见的斑点狗 6、爱犯错的智能体 - 视觉篇 (三)：看不见的萨摩耶 5、爱犯错的智能体 - 视觉篇 (二)：颠倒的视界 4、爱犯错的智能体 - 视觉篇(一): 视觉倒像 3、 AI版“双手互搏”有多牛? 浅谈对抗性神经网络 2、童话(同化)世界的人工智能 1、深度学习，你就是那位116岁的长寿老奶奶！张军平，复旦大学计算机科学技术学院，教授、博士生导师，中国自动化学会混合智能专委会副主任。主要研究方向包括人工智能、机器学习、图像处理、生物认证及智能交通。至今发表论文近100篇，其中IEEE Transactions系列18篇，包括IEEE TPAMI, TNNLS, ToC, TITS, TAC等。学术谷歌引用2700余次，ESI高被引一篇，H指数27.; 10261 次阅读|10 个评论

白起坑降卒、挥泪斩马谡：论孩子的成长——禅的行囊（之八十二）: 罗非 2018-2-5 09:53; 导读：关于教育的理论与实践，现代教育似乎更偏重理论一些。而且传授理论的时间不断提前，所谓生怕 “ 输在起跑线上 ” 。这种心态，导致幼儿园就开始理论教育，小学生就开始奥数，等等。但人类个体在不同年龄阶段，有各自的发育任务。理论教育提前的结果，是这些原本应该进行的发育任务被迫延迟，甚至没有得到充分发育。在儿童来得及建立直接的感受之前灌输理论，也导致这一代人类在认知上更偏重抽象的概念思维，而这些思维几乎与现实脱节，变成空想状态。例如战国的赵括和三国的马谡，都是这种空想家的例子。这两个人自幼饱读兵书，军事理论掌握得完美无瑕。但不幸的是，他们并没有相应地体验实际的军旅生活和战争状态，致使他们完备的军事理论与现实的军事行动严重脱节。一旦付诸实地的战争指挥，就会犯严重错误。赵括的错误，导致赵国兵败，四十万大军被白起坑杀，使赵国再也无力抵抗秦军，最终让秦王得以统一六国；马谡的错误，则导致诸葛亮最有希望成功的一次北伐被迫中止撤退，使蜀国丧失了一统天下的时机，最终三国亡于司马氏之手。这些误国误己的历史故事，是理论脱离现实的放大版例子。在日常生活中，理论空想同样会导致组织活动失败、企业改革失败、投资失败、求爱失败、婚姻失败，等等。这些尽管不是国家大事，但对于涉及的个人和集体来说，同样是人生或者事业的重大挫折，几乎无可挽回。所以，最好的教育方式，是首先要有所体验，在其中逐渐形成认识；然后介绍相关的理论，并在此后的经历中进一步领悟、检验并发挥、完善这些理论。证之中国古代的教育，儿童在七岁以前，基本不读正规的书，只是唱一些儿歌般的诗词，作为对大脑的锻炼。七岁入学时，儿童已经有了与父母、小伙伴、大家庭相处的人生经验，也有了对自然环境的观察。此时再教给他 “ 洒扫、应对、进退 ” ，让他学会如何做家务、如何接人待物的社会准则。然后再学习《三字经》、《百家姓》、《千字文》、《千家诗》等朗朗上口的诗文，一边熟悉文字，一边熟悉吟诵。然后对其中最好的几个学生，每天学习几行《大学》、《中庸》等经典，也是不要求理解，只要会读会背就好。这样的教育，让中国古代的儿童既能够及时学会文字和朗诵，练习加强记忆能力；又不至于陷入理论空想的巢臼。而是在此后的学习和生活中，逐渐体会曾经学习的文字的内在含义。这是中国古代经文教育的思想理念。可以说很符合儿童发展的需要，又对儿童的心智有所引导训练，不会放任自流。这是现代教育需要思考借鉴的地方。 ****************** 智对佛法和修行的这种条分缕析的解说方式，正是菩提达摩和他的弟子们避之唯恐不及的。禅宗大师们总是强调 “ 心 ” ，避免 “ 说 ” ，即所谓教外别传，不立文字，直指人心，见性成佛。智者大师则正相反，他把佛法掰开了揉碎了反复地说。在智和达摩身后，这两种截然不同的道路分别引出了中国佛教的两大宗派：天台宗和禅宗。禅宗后来分出南北二宗，分歧点也在于此。宽祥带着我到处参观。我惊奇地发现，讲经台周围新建的佛堂全部以花岗岩为主要材料修筑而成，柱子和栏杆是花岗岩的，连精雕细刻的门窗也是花岗岩的。这些石材都从遥远的福建运来。工地上的几十名工人也是福建人。宽祥解释说，这是因为白蚁在玉泉山十分猖獗，木构建筑往往难以耐久，维护成本也十分高昂。此外，当地潮湿多雨，对木材也是一大考验。花岗岩的好处是不怕虫蛀，当然也不怕雨淋。; 个人分类: 科普|2069 次阅读|0 个评论

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