La costanza del colore è un esempio di costanza soggettiva e una caratteristica del sistema di percezione del colore umano che assicura che il colore percepito degli oggetti rimanga relativamente costante in condizioni di illuminazione variabili. Una mela verde, per esempio, ci appare verde a mezzogiorno, quando l’illuminazione principale è bianca e anche al tramonto, quando l’illuminazione principale è rossa. Questo ci aiuta a identificare gli oggetti.

Visione dei colori
La visione a colori è un processo mediante il quale organismi e macchine sono in grado di distinguere gli oggetti in base alle diverse lunghezze d’onda della luce riflessa, trasmessa o emessa dall’oggetto. Negli esseri umani, la luce viene rilevata dall’occhio usando due tipi di fotorecettori, coni e bastoncelli, che inviano segnali alla corteccia visiva, che a sua volta elabora quelle sensazioni in una percezione soggettiva del colore. La costanza del colore è un processo che consente al cervello di riconoscere un oggetto familiare come un colore coerente indipendentemente dalla quantità o dalle lunghezze d’onda della luce che riflettono da esso in un determinato momento.

Illuminazione degli oggetti
Il fenomeno della costanza del colore si verifica quando la fonte di illuminazione non è direttamente nota. È per questo motivo che la costanza del colore ha un effetto maggiore nei giorni con il sole e il cielo limpido rispetto ai giorni che sono coperti. Anche quando il sole è visibile, la costanza del colore può influenzare la percezione del colore. Ciò è dovuto all’ignoranza di tutte le possibili fonti di illuminazione. Sebbene un oggetto possa riflettere molteplici fonti di luce nell’occhio, la costanza del colore fa sì che le identità oggettive rimangano costanti.

Il Dr. DH Foster (2011) afferma che “nell’ambiente naturale, la fonte stessa potrebbe non essere ben definita in quanto l’illuminazione in un punto particolare di una scena è solitamente una miscela complessa di luce diretta e indiretta distribuita su un intervallo di angoli incidenti, a loro volta modificati dall’occlusione locale e dalla riflessione reciproca, ognuno dei quali può variare con il tempo e la posizione. “L’ampio spettro di possibili illuminamenti nell’ambiente naturale e la limitata capacità dell’occhio umano di percepire il colore significa che la costanza del colore svolge un ruolo funzionale nella percezione quotidiana. La costanza del colore consente agli esseri umani di interagire con il mondo in modo coerente o veridico e consente a uno di prendere più efficacemente i giudizi sull’ora del giorno.

Base fisiologica
La base fisiologica per la costanza del colore è pensata per coinvolgere neuroni specializzati nella corteccia visiva primaria che calcolano i rapporti locali di attività del cono, che è lo stesso calcolo utilizzato dall’algoritmo del retinex di Land per ottenere la costanza del colore. Queste cellule specializzate sono chiamate cellule a doppio avversario perché calcolano sia l’avversione di colore che l’avversione spaziale. Le cellule del doppio avversario furono descritte per la prima volta da Nigel Daw nella retina del pesce rosso. C’era un considerevole dibattito sull’esistenza di queste cellule nel sistema visivo dei primati; la loro esistenza è stata infine dimostrata utilizzando la mappatura del campo recettivo di correlazione inversa e gli stimoli speciali che attivano selettivamente classi cono singole alla volta, i cosiddetti stimoli “cono-isolanti”.

La costanza del colore funziona solo se l’illuminazione incidente contiene un intervallo di lunghezze d’onda. Le diverse celle dei coni dell’occhio registrano intervalli diversi ma sovrapposti di lunghezze d’onda della luce riflessa da ogni oggetto nella scena. Da questa informazione, il sistema visivo tenta di determinare la composizione approssimativa della luce illuminante. Questa illuminazione è quindi scontata per ottenere il “vero colore” dell’oggetto o la riflettanza: le lunghezze d’onda della luce che l’oggetto riflette. Questa riflettanza determina in larga misura il colore percepito.

Meccanismo neurale
Ci sono due possibili meccanismi per la costanza del colore. Il primo meccanismo è l’inferenza inconscia. La seconda visione sostiene che questo fenomeno sia causato dall’adattamento sensoriale. La ricerca suggerisce che la costanza del colore sia correlata ai cambiamenti nelle cellule retiniche e nelle aree corticali legate alla visione. Questo fenomeno è molto probabilmente attribuito a cambiamenti nei vari livelli del sistema visivo.

Adattamento del cono
Coni, cellule specializzate all’interno della retina, si regolano in relazione ai livelli di luce all’interno dell’ambiente locale. Ciò si verifica a livello dei singoli neuroni. Tuttavia, questo adattamento è incompleto. L’adattamento cromatico è anche regolato da processi all’interno del cervello. La ricerca nelle scimmie suggerisce che i cambiamenti nella sensibilità cromatica siano correlati all’attività nei neuroni genicolati laterali parvocellulari. La costanza del colore può essere attribuita sia a cambiamenti localizzati nelle singole cellule retiniche sia a processi neurali di livello superiore all’interno del cervello.

metamerismo
Il metamerismo, la percezione dei colori all’interno di due scene separate, può aiutare a informare la ricerca sulla costanza del colore. La ricerca suggerisce che quando vengono presentati gli stimoli cromatici concorrenti, i confronti spaziali devono essere completati all’inizio del sistema visivo. Ad esempio, quando ai soggetti vengono presentati gli stimoli in modo dicotetico, una serie di colori e un colore vuoto, come il grigio, e viene detto di concentrarsi su un colore specifico dell’array, il colore del vuoto appare diverso rispetto a quando viene percepito in un binocolo moda. Ciò significa che i giudizi sul colore, in quanto relativi ai confronti spaziali, devono essere completati o prima dei neuroni monoculari V1. Se i confronti spaziali si verificano più tardi nel sistema visivo come nell’area corticale V4, il cervello sarebbe in grado di percepire sia il colore che il colore del vuoto come se fossero visti in modo binoculare.

Teoria retinex
L’effetto è stato descritto nel 1971 da Edwin H. Land, che ha formulato la “teoria del retinox” per spiegarlo. La parola “retinex” è un portmanteau formato da “retina” e “corteccia”, suggerendo che sia l’occhio che il cervello sono coinvolti nell’elaborazione.

L’effetto può essere dimostrato sperimentalmente come segue. Un display chiamato “Mondrian” (dopo Piet Mondrian i cui dipinti sono simili) composto da numerose macchie colorate viene mostrato a una persona. Il display è illuminato da tre luci bianche, una proiettata attraverso un filtro rosso, una proiettata attraverso un filtro verde e una proiettata attraverso un filtro blu. Alla persona viene chiesto di regolare l’intensità delle luci in modo che una patch particolare nel display appaia bianca. Lo sperimentatore quindi misura le intensità della luce rossa, verde e blu riflessa da questa patch dall’aspetto bianco. Quindi lo sperimentatore chiede alla persona di identificare il colore di una patch vicina, che, ad esempio, appare verde. Quindi lo sperimentatore regola le luci in modo che le intensità della luce rossa, blu e verde riflessa dal riquadro verde siano le stesse originariamente misurate dal cerotto bianco. La persona mostra la costanza del colore in quanto la patch verde continua ad apparire verde, la patch bianca continua ad apparire bianca e tutte le patch rimanenti continuano ad avere i loro colori originali.

La costanza del colore è una caratteristica auspicabile della visione artificiale e molti algoritmi sono stati sviluppati per questo scopo. Questi includono diversi algoritmi di retinex. Questi algoritmi ricevono come input i valori rosso / verde / blu di ciascun pixel dell’immagine e tentano di stimare le riflettanze di ciascun punto. Uno di questi algoritmi opera come segue: viene determinato il massimo valore rosso rmax di tutti i pixel e anche il valore massimo verde gmax e il valore massimo blu bmax. Supponendo che la scena contenga oggetti che riflettono tutta la luce rossa e (altri) oggetti che riflettono tutta la luce verde e altri ancora che riflettono tutta la luce blu, si può quindi dedurre che la sorgente luminosa illuminante è descritta da (rmax, gmax, bmax) . Per ogni pixel con valori (r, g, b) la sua riflettanza è stimata come (r / rmax, g / gmax, b / bmax). L’algoritmo retinex originale proposto da Land e McCann utilizza una versione localizzata di questo principio.

Sebbene i modelli retinex siano ancora ampiamente utilizzati nella visione artificiale, la percezione effettiva dei colori umani si è dimostrata più complessa.