光与颜色——现代颜色科学的前世此生

1、光与光源

物理学家告诉咱们光是一种电磁波，通常来讲人眼可见的光的波长在380nm~780nm之间。不一样波长的可见光辐射引发人眼对颜色的感知，通常认为单一波长的光辐射就表现为一种颜色，即所谓的单色光。牛顿在十七世纪就描述了关于颜色起源的棱镜分光实验和讨论，那时候他经过实验得出：白光是由七种不一样颜色的光（红橙黄绿青蓝紫）合成的。这是人类对于光与颜色关系科学认知的起源。

光源是发光的物体，通常分为天然光源和人造光源，它们都是由单色光组成的复色光，不一样的是组成成分的差别，即所谓的光谱分布，下图是一些常见光源的光谱分布：

光度学的概念是定量测定光的明亮程度的，由光度学获得的规格化的明亮度量称为光度量，光度量都是用对应的辐射量乘上光视效能获得，包括了光能量Q、光通量Φ、发光强度I、照度E、光出射度M、亮度L等，这些物理量的具体定义和公式表示这里不做详细展现，有需求的可自行查阅学习。这里仅对发光强度作一个简单介绍。发光强度是国际单位制中的7个基本单位之一，单位是坎德拉（cd）。1979年10月第十六届国际计量大会将坎德拉定义为：给定一个频率为540.0154×1012 Hz的单色辐射光源（黄绿色可见光），该辐射源在某个方向的辐射强度为1/683瓦特每球面度，则该辐射源在该方向的发光强度为1坎德拉。

2、物体——颜色的载体

 天然界中物体之因此可以呈现不一样的颜色其根本缘由就在于物体对光具备选择吸取和反射的性质，也就是说物体自己的光谱特性是物体呈现不一样颜色的主要缘由。通常来讲，透明物体的颜色取决于其透射光的光谱，而非透明物体的颜色取决于其反射光谱。根据材料的不一样光谱特性，能够分为反射材料、弱透射材料和强透射材料等，在成像领域不少材料都利用不一样物体的这些光谱特性来做各类用途。此外，除了反射、透射和吸取外，被吸取的一部分光还会发生散射或者荧光现象。散射现象指的是光被吸取后又以相同的波长发射出去，但传播方向不在统一，而荧光现象指的是荧光材料将吸取的光在更长的波长上以二次发射的形式发射出去，并且发射的光是漫射的。

3、人眼与相机——颜色的感知器

人眼和相机（准确说应该是CCD和CMOS传感器）做为光的感知器，直接对不一样波长的光产生刺激值，下面左图展现了人眼和相机的结构比较。在这里咱们着重介绍一下人眼是如何产生颜色感知的，对于相机的颜色产生机制咱们后续在介绍。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

射入人眼的光在至关于照相胶片的视网膜(retina)上产生光化学反应，由此产生的视神经脉冲传至大脑造成视觉。网膜覆盖了眼球内表面的2/3，为一厚度约0.3mm的透明膜，具备由数种细胞组成的复杂内部构造，如上右图所示。入射光沿图下部箭头方向射入，到达具备感光性能的视细胞。视细胞层的侧是视神经层，它由水平细胞、双极细胞、无长突神经细胞、神经节细胞等组成，由视神经层处理来自视细胞的信号。所以，入射光是经过透明的视神经层后才到达视细胞层的。
具备感光性能的视细胞至关于照相胶片上具备感光性能的卤化银(AgCl、AgBr、Agl)微粒。视细胞包括锥体细胞(cone)和杆体细胞(rod)两种视觉感光细胞，它们所含的感光物质不一样，因此执行的视觉功能也不一样。锥体细胞的感光灵敏度低，在亮度为约5～10cd/m以上的光亮条件下起做用，可以分辨颜色和物体的细节，称为键体视觉或明视觉(photopic vision)；杆体细胞只能在亮度为约0.001～0.005cd/m如下的黑暗条件下起做用，其感光灵敏度高，但仅能感知明暗，不能分辨颜色和物体的细节，称为杆体视觉或暗视觉(scotopic vision)。若是亮度介于明视觉与暗视觉所对应的亮度水平之间，视网膜中的锥体细胞和杆体细胞将同时起做用，称为中间视觉或介视觉(mesopic vision)。因为其受到视场内可见物体的大小和位置等诸多因素影响，因此仍难于准确限定中间视觉的亮度范围。锥体细胞和杆体细胞分别是因其

形状为圆状和棒状而命名的。在锥体细胞中又含有分别对红、绿、蓝光有响应的三种细胞，其数量之比大约为32：16：1。所以，能够形象地说人眼是由高灵敏度的黑白胶片和中等灵敏度的彩色胶片所组成的。

锥体细胞的总数约为700万个，杆体细胞的总数约为1亿个。这些视细胞的前端(图1-36中打水平横线的部分)称为外节，它含有感光性的视物质。锥状体细胞对应的外节直径为1~5μm，而杆状体细胞对应的外节其直径为1～2m，这与照相用卤化银粒子的直径(0.05~3pm)大致相同。如对各类成像器件每1mm?所含的像素数进行比较，那么人眼视网膜中心处约为6万个，电子照相机约为2万个，彩色照相约为3万个。

网膜上视细胞的分布也有必定规律，其中维体细胞集中在视轴近旁(中央凹)。中央凹是直径约为1.5mm的极小区域，这里锥体细胞的分布很是密集，约有10万~15万个，分辨能力最高；与此相反，杆体细胞在视轴近旁数量极少，而普遍分布在此区之外的部分。因为杆体细胞在暗视觉条件下起做用，因此用斜视眺望夜里的星星时会感到更明亮就是这个道理。

此外，人眼在暗环境和亮环境下对光谱的感知也是不一样的（杆体细胞表现最为明显），这部分的内容可自行查阅人眼的明视觉和暗视觉相关知识，这里再也不赘述。

 

4、颜色视觉——现代颜色科学研究的历程

一、颜色视觉机理

人的视觉系统感觉颜色的机理问题自古以来就是人们致力研究的目标，不一样的学者提出了许多不一样的假设，其中最具表明性和说服力的主要是杨-亥姆霍兹（Young–Helmholtz）的三色学说和赫林（Hering）的对抗色学说。

三色学说（trichromatic theory）是在1802年由Young首次提出，并于1894年由Helmholtz进行了定量发展造成。该学说的主要论点是认为在视网膜上存在能感觉红、绿、蓝色的光接收器(锥体细胞)，一切颜色特性都由这些锥体细胞的响应量的比例来表示。例如，按照该学说的观点，黄色是由红色和绿色光接收器同时响应而产生的。在三色学说中的光接收器只有三种，较少且功能比较单一，于是易于理解，它们的光谱灵敏度如图1-43所示。三色学说的实验基础即是由红、绿、蓝三原色能够混合出几乎全部颜色的混色规律，它不是从理论推导出来的学说。可是，彩色电视、照相、印刷等都是基于三色学说研制出来的，并且其颜色的再现性能获得充分的知足，所以三色学说被认为是很现实且有说服力的学说。

对抗色学说(opponent-color theory)是1878年由Hering基于这样的现象而提出的，即有带黄的红色而无带绿的红色，于是认为绿和红是一对对抗色；同理，黄和蓝、白和黑也分别是对抗色。该学说的主要观点认为在视网膜上存在响应红-绿、黄-蓝、白-黑等对抗颜色的三种光接收器，全部的颜色特性都由这些光接收器的响应量的比例来表示。图1-44为所推测的对抗色光接收器的光谱灵敏度曲线，其值的正负并没有特殊含义，仅表示红色与绿色、黄色与蓝色分别是对抗色。在对抗色学说中认为有红、绿、黄、蓝四种颜色，所以也称为四色学说。

实际上，通过科学家的实验验证，人类对颜色的感知机理是同时存在以上两种机制的，即：视网膜上的锥体细胞中确实如三色学说描述的那样，存在着红绿蓝三色响应，但其产生的电信号还会经过含有水平细胞、双极细胞和无长突神经细胞的邻接层进行着如对抗色学说的信号处理过程，最终将信号传给大脑。这种将上述两种学说结合的视觉模型称为阶段学说。如图所示，该视觉模型分为两个阶段，第一阶段是杆体细胞对亮度的响应和锥体细胞对红(R)、绿(G)、蓝(B)的颜色响应；第二阶段是在神经兴奋由锥体细胞向视觉中枢的传导过程当中，锥体响应R和G输出的一部分合成为黄色(Y)信号，而后进行各信号的减法运算，造成两种对抗色响应(R-G)和(Y-B)，同时锥体响应R、G、B输出的适当组合产生明视觉亮度响应V(a)，它与由杆体响应直接造成的暗视觉亮度响应V(a)组合成另外一种对抗色响应(W-K)。可见，阶段学说将两种古老的对立学说统一了起来，比较满意地说明了颜色视觉的现象。固然，对颜色视觉机理的探索远没有结束，仍然有不少新的现象被发现。

二、颜色的表示与感知特性

定量地表示颜色称为颜色表征或者表色（color specification），所表示的数值称为颜色表征值或表色值（color specification values），而为了表征颜色而采用的一系列规定和定义所造成的体系称为颜色系统（color system）。

颜色系统有色序系统(color order system)和混色系统(color mixing system)之分，色序系统基于如色卡等标准物体的颜色外貌的评价，因此也称为色貌系统(color appearance system)，而混色系统则是以经过光的混色(color mixing)达到与某一颜色相匹配所须要的色光混合量为基础，二者的比较如表1-8所示。

色序系统中颜色的外貌是基于心理的(psychological)印象，是主观的感受，称为颜色感知(color perception)。把做为对象的颜色称为感知色(perceived color)，通常包含表面质感、距离感、周围情况等感知因素。根据对象的不一样，感知色又能够分为物体色、光源色、孔径色等。物体色(object color)是属于物体自己并为人们感知的颜色，如反射光的表面色(surface color)和透射光的透过色(transmitted color)等；光源色(light-source color)是光源发出的光的颜色；孔径色(aperture color)包括如经过小的孔径看蓝色天空时看到的颜色以及未知发光物体所显示的颜色等。

在色序系统中，采用颜色的三种特征属性即明度、色调、彩度来对各类颜色进行顺序分类。明度(lightness)是人眼对物体的明暗感受，光源色的亮度越高则其明度越高，物体色的反射比或透射比越高则其明度越高；色调(hue)是彩色彼此相互区分的特性，包括红、黄、绿、蓝、紫等，它们分别对应于不一样波长的单色光，因此光源色的色调取决于其光辐射的光谱组成，而物体色的色调则由照明光源的光谱组成和物体自己的光谱(反射或透射)特性决定；彩度(chroma)表示颜色的鲜艳程度，可见光谱中各类单色光的彩度最高，因此物体色的反射或透射光谱带越窄则其彩度就越高。所以，在色序系统中采用与其三属性相对应的一系列数值来表示颜色，并称之为色貌值(color appearance values)。在这种颜色系统中，最典型的表明是采用色卡的孟塞尔(Munsell)颜色系统。

在混色系统中，把从感知色中除去物体特有的感受因素后获得的颜色做为对象，于是这对于感受来讲是最单纯的，称之为颜色感受(color sensation)。孔径色也能够说是颜色感受，其余的感知色在必定的观察条件下也能获得颜色感受。例如，使眼睛对小孔径调焦并看彩色纸时的感知就是颜色感受。从孔径色等来的光进入人眼并产生颜色感受，把这样的光称为颜色刺激(color stimulus)。前面已经提到，任意的颜色刺激均可以用等于三种锥体细胞伪电店量的三种色光的混合与其匹配，因此能够用这三种色光的混合量来表示该颜色洞刺激。所以，基于颜色刺激这一性质的混色系统也称为三色系统(trichromatic system)，并把这三种色光的混合量称为三刺激值(tristimulus values)，对应该颜色刺激的光谱分布称为颜色刺激函数(colorstimulus function)。三刺激值是由色刺激函数这种物理量和人眼的心理上的光谱响应之组合而得出的，因此是一种心理物理(psychophysical)量。一般将表示颜色刺激特性的三刺激值的三个数值称为色度值(colorimetric values)，并把用色度值表示的颜色刺激称为心理物理色(psychophysical color)。色度值即是混色系统的表色值。

 

最后，再介绍几个基本概念：

色适性与颜色恒常性：

人眼有亮适应和暗适应等视觉现象，而对于颜色也一样存在颜色适应的现象，此时视网膜灵敏度的变化取决于光所含彩色量的多少而不是由照明水平的变化所引发的。例如，当从一间充满阳光的房间进入一间由丝白炽灯照明的房间时，被观察的物体在灯光下的色貌要受到白炽灯的浅橘黄色的色泽影响。几分钟之后当眼睛的灵敏度逐渐适应灯光时，物体的感知色貌将显得与日光照明下很是类似，固然仍会有所差异。当照明条件发生变化时，虽然感知色貌总会有些差异，可是视觉系统有一种尽可能使感知色的差异趋于最小的倾向，这种现象称为色觉恒常性或颜色恒常性。

在CIE标准光源C和A照明下，白色和中性灰色表面呈现出几乎彻底的颜色恒常特性。在平常生活中，颜色恒常现象随处可见。在一天中，尽管中午时分的照度比日出和日落时大几百倍，同时日光的光谱分布也会发生较大的变化，可是人们看到的天然界中红花永远是红的，绿草始终是绿的。虽然白天阳光照射下的煤块反射出来的光量的绝对值比夜晚的白雪反射出来的光量还大，但白雪永远是白色而煤块始终是黑色的。颜色恒常性是一个复杂的问题，其内在机理至今没有获得全面的解释。我的认为研究人类色彩恒常性的机理将会对影像技术中的白平衡有很大帮助。

记忆色与喜爱色：

当提到天空、草地、苹果时，人们天然会想到蓝色、绿色和红色，这就是记忆色。这些都是人们熟悉的物体在日光下的颜色，它们就像一系列参考色样留存在人的头脑中，造成一种相对固定的参照标准。通常来讲，记忆色倾向于纯度增长，而且其余相关色彩属性的量值也都会增长。例如，对蓝天的记忆色会显得有些发青，同时其色纯度要高于实际的天空颜色。
记忆色一般会使人更愉快，因此在摄影和绘画中每每偏心于这种被再现的颜色。同时，记忆色还会影响人们的颜色感知，如将一张黄纸上的香蕉图像剪下来后会以为它和由同一纸上与该图像不相邻部分剪下来的纸的颜色不相匹配。这是因为对香蕉的记忆色影响了对图像的颜色感知，可是对于纸上其余部分的颜色感知却没有影响，于是产生了不匹配的感受。
每一个人的审美情趣都不相同，其中就包括对颜色的喜爱也因人而异。有人认为人们喜好的是饱和色而不是非饱和色，而另外一些人却持相反的观点；还有人曾得出结论说，人们最喜欢的颜色是位于光谱两个极端的颜色即红色和蓝色，而黄色受到的欢迎程度就小一些。事实上，决定颜色喜爱的因素很复杂，因此要想对这些观察做出公正的评价或结论是困难的。
相同的颜色对不一样的国家、不一样的民族会产生不一样的情感。如白色的服装、花朵在西方国家象征着爱情的美好与纯洁，所以结婚时常穿白色礼服；但是在东方国家的传统中，白色每每出如今办丧事的场合，它象征着心理上的虚无和失落。从色光的加法混合规律来讲，不一样颜色的光谱混合起来能够合成白光，而这正是象征着生活的丰富多彩；但当人们注目于无色彩的白色时，又会联想到冷漠与终结。因此，白色既呈现了圆满的状态，又暗示着虚无的情结。然而，随着国家的开放和经济的发展，西方的白色观念已经逐渐在国内特别是年轻人中获得了认同和传播。可见，对颜色的喜爱或厌恶不是固定不变的，而会随着社会环境和文化氛围的改变而转移和发展。我的的喜爱色还与其人生经历和个性有关联。例如，毕加索在他的绘画生涯中曾经历过“蓝色时期”和“玫瑰色时期”，这与他生活环境和性情的改变有着密切的关系。在1901—1904年毕加索生活贫困，因此他的绘画以冷色调蓝色为主，表现了饥饿与寒冷；此后随着毕加索生N.境况的改善其绘画的主题从盲人、老人和乞丐转向舞蹈演员、女性美和马戏小丑等，同时他画中也常使用以暖色调为主的粉红色。

记忆色和喜爱色将有助于影像从业人员更好地将相片的色彩展现给消费者，甚至能够根据用户的喜爱自行生成对应的风格，相似如今的滤镜功能。

色觉异常：

世界上90%以上的男性和99%以上的女性都具备正常的颜色视觉，但仍有两亿人因为其色觉存在缺陷而不能正确辨认和区分颜色，被称为色觉异常或色盲。

色觉异常者不能完整或正确地分辨可见光谱花围内的颜色，也不能正确匹配还原出各类不一样的颜色，因为人与人之间的色觉感觉没法彼此交流，因此色觉异常很难在平常生活中被发现，通常须要进行色觉检查在才能断定出包觉的异常，色觉异常者中，男性的比例约为女性的7～10倍，欧美国家人口的色盲发生率大大高于东方人，而非洲人的色盲发生率极低。

 

 

 

参考文献：

徐海松. 颜色信息工程.第2版[M]. 浙江大学出版社, 2015.