Практически в каждой современной научной статье или исследовательском отчете, да и просто в интернете мы встречаемся с цветовым оформлением и представлением данных численных расчетов и экспериментальных измерений. Эффектная и эффективная обработка и визуализация полученных данных — один из залогов успешного исследования или проекта. Оставляя за скобками и на откуп дизайнерам чисто эстетическую привлекательность, взглянем на техническую сущность: наглядное представление результатов работы позволяет понять, что на самом деле происходит внутри устройства или модели. Температуру проще воспринимать в тех цветах, которые помогают нам представить ее распределение. Грамотный подбор цветовых переходов и градиентов позволяет наглядно подчеркнуть концентраторы механических напряжений или отследить завихренные траектории потоков жидкости или заряженных частиц.

Получать максимум информации от графиков и диаграмм нам мешают не только некорректные калибровки мониторов и цветных принтеров или всеми любимые консервативные российские черно-белые журналы: часть людей просто физически не может корректно воспринимать классическое цветовое представление. Речь идет об инженерах и исследователях с нарушениями цветового зрения.

В данной заметке я расскажу про саму проблему нарушения цветового зрения в контексте численного моделирования и про предложенное группой молодых исследователей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории решение в виде новой цветовой схемы, получившей название Cividis.



Вы заметили особенности цветовой схемы, использованной в данной визуализации уровня звукового давления, создаваемого громкоговорителем в корпусе с фазоинвертором?

Цветовое восприятие и инженерная практика

Наверное, почти всем нам в детстве проверяли цветовое зрение. Многие вспомнят аналогичную проверку при прохождении медкомиссии в военкомате или при получении водительских прав. Обычно для этого используются псевдоизохроматические или полихроматические таблицы, состоящие из бессистемно расположенных точек различных оттенков и яркости, подобранных так, что они образуют распознаваемые формы (числа, буквы и т.д.). Если человек может различать точки разного цвета и увидеть «замаскированную» в изображении форму, то у него нет нарушений цветовосприятия.


Пример проверки цветового зрения.


По данным Национальной библиотеки медицины США у 1 из 12 мужчин и у 1 из 200 женщин цветовосприятие нарушено — они не различают эти цифры среди цветных точек. Сославшись на Википедию, не будем останавливаться на природе и причинах этих нарушений, и перейдем к практической стороне вопроса.

Нарушение цветовой чувствительности затрудняет работу ученым и инженерам, потому что цветовые схемы часто используют для визуализации результатов, и представленные оттенками разных цветов данные должны быть понятными с первого взгляда. Некоторые цветовые схемы, например радужная (Rainbow), которая используется по умолчанию во многих программных пакетах, включают в себя большой набор цветов. Пользователи с нарушениями цветового зрения могут неправильно воспринимать данные, прдеставленные с использованием цветов из таких таблиц, что может помешать пониманию основных результатов и скрыть от них важные факты.


Различные визуализации модели смесителя.

Результаты, визуализированные с использованием радужной цветовой схемы (слева), могут выглядеть совсем иначе для людей с нарушениями цветовосприятия (в центре). Это изображение, которое воспроизводит цветовосприятие при дейтеранопии (нарушении восприятия красно-зеленой части спектра), показывает, как инженеры с дейтеранопией могут видеть ярко-красный цвет из радужной цветовой схемы как более темный серо-желтый цвет и в результате неправильно понять полученные данные. Эту проблему можно решить, создав новую цветовую схему, которую инженеры с нарушениями цветового зрения воспринимали бы правильно (справа).

Радужные цветовые схемы создают трудности не только специалистам с нарушениями цветовосприятия, но и людям с нормальным цветовым зрением. Переходы между цветами неравномерны и при этом отсутствуют резкие градации яркости (она плавно возрастает от одного конца цветовой схемы до другого), и стандартные схемы могут искажать изображения. Из-за этого важные области изображения могут стать незаметными и наоборот. Для сравнения цветов различных областей можно разместить рядом с изображением цветовую схему, однако чрезмерная сложность таких схем затрудняет восприятие графиков и может привести к неверным выводам. Кроме того, несмотря на обилие тестов на цветовосприятие, некоторые люди могут не знать о том, что их цветовое зрение нарушено. Так, с раннего детства люди знают, какого цвета должны быть те или иные предметы, и даже если человек видит не тот цвет, который видите вы, он все равно назовет его тем же словом. Таким образом, знаем мы об этом или нет, мы можем неверно воспринимать цвета, используемые для визуализации результатов моделирования.

Как создать цветовую схему, учитывающую нарушения цветовосприятия

Один из вариантов цветовой схемы, подходящей для людей с нарушениями цветовосприятия, — градации серого (Gray Scale). Но такая схема не лишена проблем с представлением результатов: людям сложнее различать оттенки серого цвета и воспринимать незначительные изменения между ними при её использовании. Поэтому в очередной раз столкнувшись с данными проблемами при визуализации Джейми Нуньес (Jamie Nunez), Райан Ренслоу (Ryan Renslow) и Кристофер Эндертон (Christopher Anderton) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory — PNNL) решили действовать и создать оптимизированную цветовую схему, которую могли бы использовать все ученые и при этом наилучшим образом воспринимать скалярные данные.

По словам Нуньес, самой сложной задачей группы оказалась разработка программного кода для оптимизации цветовых схем. Исследователи знали, чего они хотят добиться и что они должны для этого сделать, но они не знали, как избежать при этом подстройки схемы вручную. Кроме того, немало усилий потребовали сбор и интерпретация необходимой информации из теории восприятия цвета. Тем не менее, исследователи справились с этими задачами и создали цветовую схему Cividis на основе схемы Viridis, которая сейчас считается образцовой, но не учитывает нарушения цветовосприятия. Схема Cividis построена на оттенках синего и желтого, она удобна для людей с нарушениями цветовосприятия и без него.


Профиль температуры в радиаторе (цветовые обозначения справа) и в воздухе вокруг него (цветовые обозначения слева). При визуализации этой модели использована радужная цветовая схема Rainbow.


Это изображение показывает, как люди с дейтеранопией воспринимают результаты, отображаемые в радужной цветовой схеме.


В этом варианте модели для отображения результатов использована цветовая схема Cividis. При замене радужной цветовой схемы (вверху) на схему Cividis инженерам с нарушениями цветовосприятия будет проще анализировать распределение температуры и избежать ошибок в интерпретации данных.

Применение схемы Cividis

Исследователи считают, что для перехода научного сообщества на оптимизированные цветовые схемы важно не только понимание их значимости, но и доступная возможность их использования в программных пакетах. Поэтому создатели схемы Cividis предоставили ее компании COMSOL, и теперь пользователи программного пакета COMSOL Multiphysics^® могут применять эту схему для своих моделей. Цветовая схема Cividis доступна в версии 5.3a программного пакета COMSOL Multiphysics^®.

Нуньес, Ренслоу и Эндертон также планируют предоставить открытый и бесплатный доступ ко всем своим разработкам. Они стремятся к тому, чтобы эта цветовая схема, а также программный код, использованный при ее создании, и статья, рассказывающая о разработке, были доступны для всех и помогали решать обозначенную исследователями задачу. Авторы разработки надеются, что их работа привлечет внимание к проблеме, с которой сталкиваются 600 миллионов людей по всему миру, и цветовые схемы, подходящие для людей с нарушениями цветовосприятия, станут более доступны.


Изображение вихревой дорожки Кармана за сферой в потоке с использованием цветовой схемы Cividis.

Заключение

Так что же такого специфичного в КДПВ, размещенной в начале статьи?

8% мужчин и 0.4% женщин ощутят значимость данного изображения. В нем используется цветовая схема, разработанная для людей с нарушениями цветовосприятия, которая позволит им верно интерпретировать такие результаты моделирования, повышая качество исследований. И это — прекрасно!

Разработчики отметили три основных преимущества схемы Cividis для пользователей COMSOL Multiphysics^®:

• Во-первых, она обеспечивает визуально равномерное изменение цвета и постоянную резкую градацию яркости. Это означает, что цвета по всей схеме меняются плавно, при этом более яркие цвета соответствуют более высоким значениям величин и наоборот. Благодаря этому свойству разные цвета в цветовой схеме Cividis интуитивно легко сравнивать друг с другом. Это облегчает понимание того, как соотносятся разные значения величин на изображении и какие области на изображении действительно важны.
• Кроме того, широкий диапазон цветов в схеме Cividis исключает проблемы, возникающие при использовании градаций серого цвета.
• Наконец, хотя схему Cividis проверяли на людях с самым распространенным нарушением цветового зрения — нарушением восприятия в красно-зеленой области спектра, — она также подходит для инженеров с другими нарушениями и без нарушений цветовосприятия. Схема Cividis выглядит одинаково для людей с нормальным цветовым зрением, с дейтераномалией и с дейтеранопией.

Кстати, по мнению моих коллег схема Cividis выглядит эстетично, напоминая цвета неба в лунную ночь.

Но в прикладном численном моделировании (как и на geektimes) нет места лирике: некоторые тестировщики сочли ее непривлекательной из-за недостатка цветовых переходов. Для решения этой проблемы исследователи PNNL планируют вновь воспользоваться созданными ими инструментами и оптимизировать Cividis, разработав новую цветовую схему с большим числом цветовых переходов, которая останется удобной для разных степеней дейтераномалии. Следите за новостями!

Postscriptum

Cividis детально описана в статье: J. Nunez, C. Anderton, R. Renslow: «Optimizing colormaps with consideration for color vision deficiency to enable accurate interpretation of scientific data,» 2018. Работа доступна на arXiv.org, а также на GitHub.com.

Цветовая схема Cividis, любезно предоставленая Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией, уже доступна в новой версии пакета COMSOL Multiphysics 5.3a. Отмечу, что помимо уже упомянутых Rainbow и GrayScale, в пакете реализован целый спектр цветовых решений, включая Wave, Thermal, Heat, Traffic, Disco, Cyclic, а также свежие интересные решения типа Twilight, Aurora Australis, Aurora Borealis, Jupiter Aurora Borealis и Heat Camera.


Комбинация цветовых схем Aurora Australis (левая) и Jupiter Aurora Borealis (правая) для визуализации эффектов в аргоновой плазме, удерживаемой в реакторе магнитными полями.