Constancy and inconstancy in categorical colour perception

Abstract

El reconeixement d'objectes és potser la tasca més important que un sistema autònom, ja sigui biològic o artificial, necessita realitzar. En el context de la visió humana, això s'aconsegueix parcialment a través del reconeixement del color de les superfícies malgrat els canvis en la distribució espectral de la llum, propietat anomenada constància de color. El reconeixement correcte del color de les superfícies és pot realitzar adequadament mitjançant la correspondència entre categories de color sense la necessitat d'ajustar exactament els mateixos colors, aleshores la constància de color categòrica juga probablement un paper important per tal d'aconseguir amb èxit el reconeixement d'objectes. El principal objectiu d'aquest treball és estudiar la relació entre la constància de color i la percepció categòrica del color. Estudis anteriors de constància de color han mostrat la influència de factors tals com les propietats espai-cromàtiques de l'entorn, particularitats individuals dels observadors, semàntica, etc... Malgrat tot, aquestes influències només s'han estudiat breument de forma sistemàtica. Per solucionar-ho, hem desenvolupat una nova aproximació a la constància de color, la qual inclou la percepció categòrica dels individus, l'estructura categòrica de l'entorn, i les seves interrelacions, resultant en una caracterització més comprensiva del fenomen. En el nostre estudi, primer hem desenvolupat un nou mètode per tal d'analitzar l'estructura categòrica 3D de l'espai de color, la qual ens ha permès caracteritzar la percepció categòrica de cada individu i també quantificar les variacions entre individus en termes de la forma i la localització dels centroides de les regions 3D categòriques. Seguidament, hem desenvolupat un nou paradigma de constància de color, anomenat "chromatic setting", el qual permet mesurar de forma precisa la localització de nou punts categòricament rellevants en l'espai de color sota una ill.luminació envolvent. Adicionalment, hem derivat a partir d'aquestes mesures un nou índex de constància de color, el qual té en compte la magnitud i la orientació cromàtica de l'il.lumiant, influències de la memòria i les interrelacions entre colors, i també un model d'assignació de noms de color ajustat a l'estat d'adaptació de cada observador. A partir dels nostres resultats concloem: (1) Existeixen àmplies variacions entre individus respecte l'estructura categòrica de l'espai de color, i pertant l'abilitat d'assignar noms de color varia significativament però aquesta no està ben predita per les abilitats discriminatives de baix nivell; (2) L'anàlisi de l'espai mitjà d'assignació de noms de color suggereix la necessitat d'afegir tres nous "basic colour terms" ("turquoise", "lilac" i "lime" ) per tal d'optimitzar la comunicació de color; (3) El "chromatic setting" ha millorat la precisió dels models lineals més complexos de constància de color, així suggerint que altres mecanismes que no pas els d'adaptació al guany dels cons poden ser més adequats per tal d'explicar el fenomen de la constància de color; (4) L'estructura categòrica de l'espai de color és en general estable sota canvis d'il.luminant quan s'usen entorns categòricament balancejats; (5) Existeix inconstància de color per entorns categòricament no balancejats i pertant indicant que la informació categòrica percebuda en les etapes inicials de l'adaptació pot condicionar la percepció categòrica posterior.

To recognise objects is perhaps the most important task an autonomous system, either biological or artificial needs to perform. In the context of human vision, this is partly achieved by recognizing the colour of surfaces despite changes in the wavelength distribution of the illumination, a property called colour constancy. Correct surface colour recognition may be adequately accomplished by colour category matching without the need to match colours precisely, therefore categorical colour constancy is likely to play an important role for object identification to be successful. The main aim of this work is to study the relationship between colour constancy and categorical colour perception. Previous studies of colour constancy have shown the influence of factors such the spatio-chromatic properties of the background, individual observer's performance, semantics, etc. However there is very little systematic study of these influences. To this end, we developed a new approach to colour constancy which includes both individual observers' categorical perception, the categorical structure of the background, and their interrelations resulting in a more comprehensive characterization of the phenomenon. In our study, we first developed a new method to analyse the categorical structure of 3D colour space, which allowed us to characterize individual categorical colour perception as well as quantify inter-individual variations in terms of shape and centroid location of 3D categorical regions. Second, we developed a new colour constancy paradigm, termed chromatic setting, which allows measuring the precise location of nine categorically-relevant points in colour space under immersive illumination. Additionally, we derived from these measurements a new colour constancy index which takes into account the magnitude and orientation of the chromatic shift, memory effects and the interrelations among colours and a model of colour naming tuned to each observer/adaptation state. Our results lead to the following conclusions: (1) There exists large inter-individual variations in the categorical structure of colour space, and thus colour naming ability varies significantly but this is not well predicted by low-level chromatic discrimination ability; (2) Analysis of the average colour naming space suggested the need for an additional three basic colour terms (turquoise, lilac and lime) for optimal colour communication; (3) Chromatic setting improved the precision of more complex linear colour constancy models and suggested that mechanisms other than cone gain might be best suited to explain colour constancy; (4) The categorical structure of colour space is broadly stable under illuminant changes for categorically balanced backgrounds; (5) Categorical inconstancy exists for categorically unbalanced backgrounds thus indicating that categorical information perceived in the initial stages of adaptation may constrain further categorical perception.