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访旅加华人学者鲁晨光:揭开颜色视觉的数学奥秘

时间:2022年03月28日    作者:和通社《亚洲经济导刊》    浏览量:28140

访旅加华人学者鲁晨光:揭开颜色视觉的数学奥秘

图为鲁晨光在讲学,图片提供《亚洲经济导刊》

访旅加华人学者鲁晨光:揭开颜色视觉的数学奥秘

 

记者获悉,最近英国著名科普杂志Research Features推出封面文章,连续两期介绍旅加华人学者鲁晨光的科研成果——译码模型。该模型不仅能很好地解释色盲原因和色觉进化,还能提供物理颜色和心理颜色之间的转换方法,可广泛用于印染、计算机图像处理等领域,被业内专家誉为“一项具有突破性的理论成果”。鲁晨光是谁?他做了什么?记者专程连线采访了远在加拿大的鲁晨光,听他讲述了自己的“非常科研人生”。  

鲁晨光出生在安徽巢湖,中学毕业后,下放到山区林场,当了四年知青,后来又在马钢当了一年工人。1977年恢复高考,他幸运地考入南京航空航天大学飞机制造系,毕业设计课题是利用译码器选址做飞机电缆检测。不过他回忆说,对科学最早产生兴趣是在中学。他的一个要好同学,一开始不知道自己是色盲,后来因想考美术学校体检时,才发现自己是色盲。于是鲁晨光就对这个问题产生了好奇:为什么他自己和他人都觉察不到他是色盲?他进而思考色觉究竟是如何形成的?没想到这成为影响他一生的问题。按照爱因斯坦的说法:科学探索的最大动机就是对这个世界感到惊奇。尤其是孩童和少年时代形成的好奇心,对一个人的智力发展将会产生深远影响。

毕业后,鲁晨光分配到济南一家航空研究所,从事机械设计和强度试验工作。1983年1984年,“这是我人生低潮”,他回忆说。业余时,他常骑个破自行车去大明湖畔的省图书馆,读了很多颜色理论书籍,想解答多年萦绕于脑际的颜色疑问。但他发现流行的色觉机制模型都有问题。经过苦思冥想,突然有一天他顿悟到:用加减乘除运算是不行的,我们需要模拟逻辑运算。他于是推广了自己熟悉的数字电路中常用的3-8译码器,建立起一个译码模型——把人眼色觉机制解释为模拟量3-8译码器,用它居然可以简洁优美地解释色觉的形成机制。这是他科研生涯中“巅峰体验”的时刻。科学家一生中能做出一个重大发现,就已经非常不容易了,这种思想上的独创性往往都发生在青年时代。但他还得背负起这个思想的十字架继续前行,孤独且艰难的,终生都在探索自己悟到的那个真理。真正的科学探索莫不如此。据了解,目前流行的色觉机制模型是阶段模型,这一模型中,色觉形成分两个阶段:在视网膜阶段,三种感光细胞分别对红绿蓝三种色光(“三原色”)的刺激起反应,三原色按不同比例混合,就会形成其他各种颜色,譬如:1份红+1份绿=1份黄;到视神经阶段,色觉被加工成互补对形式。基本的互补色有三对:黄蓝、红绿、黑白,一对互补色相加就是白色。这两个阶段分别继承了经典的杨-赫尔姆霍兹“三色素理论”和黑林“互补色理论”。鲁晨光介绍说,在阶段模型中,这两个理论实际上存在矛盾,按照“三色素理论”,等量的红加绿等于黄,但按照“互补色理论”,等量的红加绿等于白,这是矛盾的。有人把三原色换成三个主波长,问题还是存在。原因是颜色相加是矢量相加,不能是分量相加。 

为了解决上述矛盾,鲁晨光提出有四对互补色:红青、绿绛(即品红)、蓝黄、黑白。根据译码模型,鲁晨光非常直观地解释了色盲成因和色觉进化,终于解开了自己少年时代产生的思想之谜。他解释说,色盲是因为三种色敏感细胞没有分裂开来,于是分不清某些颜色或看不到某些颜色。关于色觉进化,可以假设,人眼中本来只有一种色敏感细胞,只能分辨黑白二色;后来一种逐渐分裂成两种,人眼就能看出蓝黄二色;再后来分裂成三种,人眼就能看出红青和绿绛四色(参看图3)。如此完美的解释,让鲁晨光信心倍增!后来,他希望用信息论来证明译码模型比阶段模型好——因为三对彩色比两对彩色分辨率更高,进而研究广义信息论,包括语义信息论;再后来,他又把语义信息论用于机器学习以及认知哲学。这是他创造力爆发的“黄金年代”,一门心思只想搞研究,写论文,著书立说,把自己独创的思想展现给世界! 

发现译码模型后不久,鲁晨光就调到长沙大学教计算机,总算是有了用武之地。此后十年,他迎来了科研上的第一波高潮,在《心理学动态》、《光学学报》、《通信学报》、《自然杂志》、《机器人》、《哲学动态》、《科学技术与辩证法》、《现代哲学》、《模糊系统与数学》、《International J. of General System》等专业期刊上发表了十几篇论文,并出版了专著《广义信息论》,在学术界引起了不小反响。他还因此获得长沙市科学技术论文一等奖和长沙市青年学术带头人称号,并在全国颜色光学大会和信息论年会上做过大会报告。他也因此去加拿大尼亚加拉学院做访问学者一年,不久被破格提拔为长沙大学计算机系副教授。 

当时北师大数学系汪培庄教授和中科学心理所郭念锋研究员,非常欣赏鲁晨光的科研能力。他因此又成为汪培庄教授的访问学者。郭念锋先生曾力荐他调到北京来,但最后卡在了学历和职称上。长沙大学当时只是职业大学,很难申请到科研经费。“那时我想参加一些学术会议,出版专著,发表论文。但是费用很难报销。”1996年,鲁晨光毅然辞去长沙大学教职,南下广东到一个投资部门从事投资分析,同时研究投资组合和信息价值理论。2002年,为了小孩读书,他全家移民加拿大。他在温哥华岛上买了栋旧房子,一边修房子、炒股票,一边写书,不久又出版了两本专著《色觉奥妙和哲学基本问题》和《美感奥妙和需求进化》。此后十多年里,他一直从事基金管理和投资分析工作,花在科研上的时间就很少了。但对科学探索的激情在他心灵深处却从未消褪。

2016年,AlphaGa的“人机大战”震惊了世界,人工智能热迅速席卷全球。汪培庄教授是我国模糊数学的先驱,很早就致力于人工智能的数学基础研究,最近他和中国人工智能学会原会长钟义信教授、原副会长何华灿教授合作,提出人工智能的机制主义理论。汪教授没有忘记远在异国他乡的鲁晨光,鼓励他结合语义信息论和人工智能做进一步研究,这再次点燃了鲁晨光内心潜藏的科研热情。这时候他经济上已没有后顾之忧了,想再不继续以前的研究就没有机会了,于是很快就投入到新的研究领域。

不久鲁晨光就解决了机器学习中的一个重要难题:建立隶属函数和似然函数之间的联系(通过语义贝叶斯公式),并通过样本分布优化隶属函数——改进了汪培庄教授的随机集落影理论。接着,他又提出兼有统计概率和逻辑概率的P-T概率框架,解决了最大互信息分类问题(这也是经典信息论难题)。最近三年里,他于期刊Information、Entropy、Philosophies发表了四篇英文长文,介绍了这些研究成果。另外,他还发现:译码模型可以用于图像语义分割;神经网络中大多数权重系数都可以解释为真值函数。他希望能从语义信息论和译码模型的角度来解释和改进神经网络。2017年辽宁工程技术大学智能工程和数学研究院聘他为客座教授。没想到离开学术界这么多年后,鲁晨光又迎来了科研上的第二波高潮,但一头青丝已悄然变成了两鬓白发。

译码模型在国际上也获得了权威认可。2006年国际照明协会提出对称颜色模型,跟鲁晨光给出的颜色数码分解方式完全一致。“这就是对我模型的最大认可,虽然国际照明协会没有提到我名字。人生有限,我不想花太多时间争取别人认可。”他语气平静地说。

在鲁晨光的科研生涯中,有过高峰时刻的短暂欢娱,但更多的却是艰辛孤寂的长期思索。少年爱因斯坦追逐光线的思想实验,就是科学史上的经典。鲁晨光的“非常科研人生”也令人深思。 “星星之火,可以燎原。”不为功利、追求梦想的一线科研人员和青年科学家,才是未来中国科技创新的主体和希望之所在。(文∕和通社《亚洲经济导刊》吕陈君

 

 

 


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