光與顏色——現代顏色科學的前世此生

1、光與光源

物理學家告訴咱們光是一種電磁波，通常來講人眼可見的光的波長在380nm~780nm之間。不一樣波長的可見光輻射引發人眼對顏色的感知，通常認爲單一波長的光輻射就表現爲一種顏色，即所謂的單色光。牛頓在十七世紀就描述了關於顏色起源的棱鏡分光實驗和討論，那時候他經過實驗得出：白光是由七種不一樣顏色的光（紅橙黃綠青藍紫）合成的。這是人類對於光與顏色關係科學認知的起源。

光源是發光的物體，通常分爲天然光源和人造光源，它們都是由單色光組成的複色光，不一樣的是組成成分的差別，即所謂的光譜分佈，下圖是一些常見光源的光譜分佈：

光度學的概念是定量測定光的明亮程度的，由光度學獲得的規格化的明亮度量稱爲光度量，光度量都是用對應的輻射量乘上光視效能獲得，包括了光能量Q、光通量Φ、發光強度I、照度E、光出射度M、亮度L等，這些物理量的具體定義和公式表示這裏不做詳細展現，有需求的可自行查閱學習。這裏僅對發光強度作一個簡單介紹。發光強度是國際單位制中的7個基本單位之一，單位是坎德拉（cd）。1979年10月第十六屆國際計量大會將坎德拉定義爲：給定一個頻率爲540.0154×1012 Hz的單色輻射光源（黃綠色可見光），該輻射源在某個方向的輻射強度爲1/683瓦特每球面度，則該輻射源在該方向的發光強度爲1坎德拉。

2、物體——顏色的載體

 天然界中物體之因此可以呈現不一樣的顏色其根本緣由就在於物體對光具備選擇吸取和反射的性質，也就是說物體自己的光譜特性是物體呈現不一樣顏色的主要緣由。通常來講，透明物體的顏色取決於其透射光的光譜，而非透明物體的顏色取決於其反射光譜。根據材料的不一樣光譜特性，能夠分爲反射材料、弱透射材料和強透射材料等，在成像領域不少材料都利用不一樣物體的這些光譜特性來做各類用途。此外，除了反射、透射和吸取外，被吸取的一部分光還會發生散射或者熒光現象。散射現象指的是光被吸取後又以相同的波長髮射出去，但傳播方向不在統一，而熒光現象指的是熒光材料將吸取的光在更長的波長上以二次發射的形式發射出去，並且發射的光是漫射的。

3、人眼與相機——顏色的感知器

人眼和相機（準確說應該是CCD和CMOS傳感器）做爲光的感知器，直接對不一樣波長的光產生刺激值，下面左圖展現了人眼和相機的結構比較。在這裏咱們着重介紹一下人眼是如何產生顏色感知的，對於相機的顏色產生機制咱們後續在介紹。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

射入人眼的光在至關於照相膠片的視網膜(retina)上產生光化學反應，由此產生的視神經脈衝傳至大腦造成視覺。網膜覆蓋了眼球內表面的2/3，爲一厚度約0.3mm的透明膜，具備由數種細胞組成的複雜內部構造，如上右圖所示。入射光沿圖下部箭頭方向射入，到達具備感光性能的視細胞。視細胞層的側是視神經層，它由水平細胞、雙極細胞、無長突神經細胞、神經節細胞等組成，由視神經層處理來自視細胞的信號。所以，入射光是經過透明的視神經層後纔到達視細胞層的。
具備感光性能的視細胞至關於照相膠片上具備感光性能的鹵化銀(AgCl、AgBr、Agl)微粒。視細胞包括錐體細胞(cone)和杆體細胞(rod)兩種視覺感光細胞，它們所含的感光物質不一樣，因此執行的視覺功能也不一樣。錐體細胞的感光靈敏度低，在亮度爲約5～10cd/m以上的光亮條件下起做用，可以分辨顏色和物體的細節，稱爲鍵體視覺或明視覺(photopic vision)；杆體細胞只能在亮度爲約0.001～0.005cd/m如下的黑暗條件下起做用，其感光靈敏度高，但僅能感知明暗，不能分辨顏色和物體的細節，稱爲杆體視覺或暗視覺(scotopic vision)。若是亮度介於明視覺與暗視覺所對應的亮度水平之間，視網膜中的錐體細胞和杆體細胞將同時起做用，稱爲中間視覺或介視覺(mesopic vision)。因爲其受到視場內可見物體的大小和位置等諸多因素影響，因此仍難於準確限定中間視覺的亮度範圍。錐體細胞和杆體細胞分別是因其

形狀爲圓狀和棒狀而命名的。在錐體細胞中又含有分別對紅、綠、藍光有響應的三種細胞，其數量之比大約爲32：16：1。所以，能夠形象地說人眼是由高靈敏度的黑白膠片和中等靈敏度的彩色膠片所組成的。

錐體細胞的總數約爲700萬個，杆體細胞的總數約爲1億個。這些視細胞的前端(圖1-36中打水平橫線的部分)稱爲外節，它含有感光性的視物質。錐狀體細胞對應的外節直徑爲1~5μm，而桿狀體細胞對應的外節其直徑爲1～2m，這與照相用鹵化銀粒子的直徑(0.05~3pm)大致相同。如對各類成像器件每1mm?所含的像素數進行比較，那麼人眼視網膜中心處約爲6萬個，電子照相機約爲2萬個，彩色照相約爲3萬個。

網膜上視細胞的分佈也有必定規律，其中維體細胞集中在視軸近旁(中央凹)。中央凹是直徑約爲1.5mm的極小區域，這裏錐體細胞的分佈很是密集，約有10萬~15萬個，分辨能力最高；與此相反，杆體細胞在視軸近旁數量極少，而普遍分佈在此區之外的部分。因爲杆體細胞在暗視覺條件下起做用，因此用斜視眺望夜裏的星星時會感到更明亮就是這個道理。

此外，人眼在暗環境和亮環境下對光譜的感知也是不一樣的（杆體細胞表現最爲明顯），這部分的內容可自行查閱人眼的明視覺和暗視覺相關知識，這裏再也不贅述。

 

4、顏色視覺——現代顏色科學研究的歷程

一、顏色視覺機理

人的視覺系統感覺顏色的機理問題自古以來就是人們致力研究的目標，不一樣的學者提出了許多不一樣的假設，其中最具表明性和說服力的主要是楊-亥姆霍茲（Young–Helmholtz）的三色學說和赫林（Hering）的對抗色學說。

三色學說（trichromatic theory）是在1802年由Young首次提出，並於1894年由Helmholtz進行了定量發展造成。該學說的主要論點是認爲在視網膜上存在能感覺紅、綠、藍色的光接收器(錐體細胞)，一切顏色特性都由這些錐體細胞的響應量的比例來表示。例如，按照該學說的觀點，黃色是由紅色和綠色光接收器同時響應而產生的。在三色學說中的光接收器只有三種，較少且功能比較單一，於是易於理解，它們的光譜靈敏度如圖1-43所示。三色學說的實驗基礎即是由紅、綠、藍三原色能夠混合出幾乎全部顏色的混色規律，它不是從理論推導出來的學說。可是，彩色電視、照相、印刷等都是基於三色學說研製出來的，並且其顏色的再現性能獲得充分的知足，所以三色學說被認爲是很現實且有說服力的學說。

對抗色學說(opponent-color theory)是1878年由Hering基於這樣的現象而提出的，即有帶黃的紅色而無帶綠的紅色，於是認爲綠和紅是一對對抗色；同理，黃和藍、白和黑也分別是對抗色。該學說的主要觀點認爲在視網膜上存在響應紅-綠、黃-藍、白-黑等對抗顏色的三種光接收器，全部的顏色特性都由這些光接收器的響應量的比例來表示。圖1-44爲所推測的對抗色光接收器的光譜靈敏度曲線，其值的正負並沒有特殊含義，僅表示紅色與綠色、黃色與藍色分別是對抗色。在對抗色學說中認爲有紅、綠、黃、藍四種顏色，所以也稱爲四色學說。

實際上，通過科學家的實驗驗證，人類對顏色的感知機理是同時存在以上兩種機制的，即：視網膜上的錐體細胞中確實如三色學說描述的那樣，存在着紅綠藍三色響應，但其產生的電信號還會經過含有水平細胞、雙極細胞和無長突神經細胞的鄰接層進行着如對抗色學說的信號處理過程，最終將信號傳給大腦。這種將上述兩種學說結合的視覺模型稱爲階段學說。如圖所示，該視覺模型分爲兩個階段，第一階段是杆體細胞對亮度的響應和錐體細胞對紅(R)、綠(G)、藍(B)的顏色響應；第二階段是在神經興奮由錐體細胞向視覺中樞的傳導過程當中，錐體響應R和G輸出的一部分合成爲黃色(Y)信號，而後進行各信號的減法運算，造成兩種對抗色響應(R-G)和(Y-B)，同時錐體響應R、G、B輸出的適當組合產生明視覺亮度響應V(a)，它與由杆體響應直接造成的暗視覺亮度響應V(a)組合成另外一種對抗色響應(W-K)。可見，階段學說將兩種古老的對立學說統一了起來，比較滿意地說明了顏色視覺的現象。固然，對顏色視覺機理的探索遠沒有結束，仍然有不少新的現象被發現。

二、顏色的表示與感知特性

定量地表示顏色稱爲顏色表徵或者表色（color specification），所表示的數值稱爲顏色表徵值或表色值（color specification values），而爲了表徵顏色而採用的一系列規定和定義所造成的體系稱爲顏色系統（color system）。

顏色系統有色序系統(color order system)和混色系統(color mixing system)之分，色序系統基於如色卡等標準物體的顏色外貌的評價，因此也稱爲色貌系統(color appearance system)，而混色系統則是以經過光的混色(color mixing)達到與某一顏色相匹配所須要的色光混合量爲基礎，二者的比較如表1-8所示。

色序系統中顏色的外貌是基於心理的(psychological)印象，是主觀的感受，稱爲顏色感知(color perception)。把做爲對象的顏色稱爲感知色(perceived color)，通常包含表面質感、距離感、周圍情況等感知因素。根據對象的不一樣，感知色又能夠分爲物體色、光源色、孔徑色等。物體色(object color)是屬於物體自己併爲人們感知的顏色，如反射光的表面色(surface color)和透射光的透過色(transmitted color)等；光源色(light-source color)是光源發出的光的顏色；孔徑色(aperture color)包括如經過小的孔徑看藍色天空時看到的顏色以及未知發光物體所顯示的顏色等。

在色序系統中，採用顏色的三種特徵屬性即明度、色調、彩度來對各類顏色進行順序分類。明度(lightness)是人眼對物體的明暗感受，光源色的亮度越高則其明度越高，物體色的反射比或透射比越高則其明度越高；色調(hue)是彩色彼此相互區分的特性，包括紅、黃、綠、藍、紫等，它們分別對應於不一樣波長的單色光，因此光源色的色調取決於其光輻射的光譜組成，而物體色的色調則由照明光源的光譜組成和物體自己的光譜(反射或透射)特性決定；彩度(chroma)表示顏色的鮮豔程度，可見光譜中各類單色光的彩度最高，因此物體色的反射或透射光譜帶越窄則其彩度就越高。所以，在色序系統中採用與其三屬性相對應的一系列數值來表示顏色，並稱之爲色貌值(color appearance values)。在這種顏色系統中，最典型的表明是採用色卡的孟塞爾(Munsell)顏色系統。

在混色系統中，把從感知色中除去物體特有的感受因素後獲得的顏色做爲對象，於是這對於感受來講是最單純的，稱之爲顏色感受(color sensation)。孔徑色也能夠說是顏色感受，其餘的感知色在必定的觀察條件下也能獲得顏色感受。例如，使眼睛對小孔徑調焦並看彩色紙時的感知就是顏色感受。從孔徑色等來的光進入人眼併產生顏色感受，把這樣的光稱爲顏色刺激(color stimulus)。前面已經提到，任意的顏色刺激均可以用等於三種錐體細胞僞電店量的三種色光的混合與其匹配，因此能夠用這三種色光的混合量來表示該顏色洞刺激。所以，基於顏色刺激這一性質的混色系統也稱爲三色系統(trichromatic system)，並把這三種色光的混合量稱爲三刺激值(tristimulus values)，對應該顏色刺激的光譜分佈稱爲顏色刺激函數(colorstimulus function)。三刺激值是由色刺激函數這種物理量和人眼的心理上的光譜響應之組合而得出的，因此是一種心理物理(psychophysical)量。一般將表示顏色刺激特性的三刺激值的三個數值稱爲色度值(colorimetric values)，並把用色度值表示的顏色刺激稱爲心理物理色(psychophysical color)。色度值即是混色系統的表色值。

 

最後，再介紹幾個基本概念：

色適性與顏色恆常性：

人眼有亮適應和暗適應等視覺現象，而對於顏色也一樣存在顏色適應的現象，此時視網膜靈敏度的變化取決於光所含彩色量的多少而不是由照明水平的變化所引發的。例如，當從一間充滿陽光的房間進入一間由絲白熾燈照明的房間時，被觀察的物體在燈光下的色貌要受到白熾燈的淺橘黃色的色澤影響。幾分鐘之後當眼睛的靈敏度逐漸適應燈光時，物體的感知色貌將顯得與日光照明下很是類似，固然仍會有所差異。當照明條件發生變化時，雖然感知色貌總會有些差異，可是視覺系統有一種儘可能使感知色的差異趨於最小的傾向，這種現象稱爲色覺恆常性或顏色恆常性。

在CIE標準光源C和A照明下，白色和中性灰色表面呈現出幾乎徹底的顏色恆常特性。在平常生活中，顏色恆常現象隨處可見。在一天中，儘管中午時分的照度比日出和日落時大幾百倍，同時日光的光譜分佈也會發生較大的變化，可是人們看到的天然界中紅花永遠是紅的，綠草始終是綠的。雖然白天陽光照射下的煤塊反射出來的光量的絕對值比夜晚的白雪反射出來的光量還大，但白雪永遠是白色而煤塊始終是黑色的。顏色恆常性是一個複雜的問題，其內在機理至今沒有獲得全面的解釋。我的認爲研究人類色彩恆常性的機理將會對影像技術中的白平衡有很大幫助。

記憶色與喜愛色：

當提到天空、草地、蘋果時，人們天然會想到藍色、綠色和紅色，這就是記憶色。這些都是人們熟悉的物體在日光下的顏色，它們就像一系列參考色樣留存在人的頭腦中，造成一種相對固定的參照標準。通常來講，記憶色傾向於純度增長，而且其餘相關色彩屬性的量值也都會增長。例如，對藍天的記憶色會顯得有些發青，同時其色純度要高於實際的天空顏色。
記憶色一般會使人更愉快，因此在攝影和繪畫中每每偏心於這種被再現的顏色。同時，記憶色還會影響人們的顏色感知，如將一張黃紙上的香蕉圖像剪下來後會以爲它和由同一紙上與該圖像不相鄰部分剪下來的紙的顏色不相匹配。這是因爲對香蕉的記憶色影響了對圖像的顏色感知，可是對於紙上其餘部分的顏色感知卻沒有影響，於是產生了不匹配的感受。
每一個人的審美情趣都不相同，其中就包括對顏色的喜愛也因人而異。有人認爲人們喜好的是飽和色而不是非飽和色，而另外一些人卻持相反的觀點；還有人曾得出結論說，人們最喜歡的顏色是位於光譜兩個極端的顏色即紅色和藍色，而黃色受到的歡迎程度就小一些。事實上，決定顏色喜愛的因素很複雜，因此要想對這些觀察做出公正的評價或結論是困難的。
相同的顏色對不一樣的國家、不一樣的民族會產生不一樣的情感。如白色的服裝、花朵在西方國家象徵着愛情的美好與純潔，所以結婚時常穿白色禮服；但是在東方國家的傳統中，白色每每出如今辦喪事的場合，它象徵着心理上的虛無和失落。從色光的加法混合規律來講，不一樣顏色的光譜混合起來能夠合成白光，而這正是象徵着生活的豐富多彩；但當人們注目於無色彩的白色時，又會聯想到冷漠與終結。因此，白色既呈現了圓滿的狀態，又暗示着虛無的情結。然而，隨着國家的開放和經濟的發展，西方的白色觀念已經逐漸在國內特別是年輕人中獲得了認同和傳播。可見，對顏色的喜愛或厭惡不是固定不變的，而會隨着社會環境和文化氛圍的改變而轉移和發展。我的的喜愛色還與其人生經歷和個性有關聯。例如，畢加索在他的繪畫生涯中曾經歷過「藍色時期」和「玫瑰色時期」，這與他生活環境和性情的改變有着密切的關係。在1901—1904年畢加索生活貧困，因此他的繪畫以冷色調藍色爲主，表現了飢餓與寒冷；此後隨着畢加索生N.境況的改善其繪畫的主題從盲人、老人和乞丐轉向舞蹈演員、女性美和馬戲小丑等，同時他畫中也常使用以暖色調爲主的粉紅色。

記憶色和喜愛色將有助於影像從業人員更好地將相片的色彩展現給消費者，甚至能夠根據用戶的喜愛自行生成對應的風格，相似如今的濾鏡功能。

色覺異常：

世界上90%以上的男性和99%以上的女性都具備正常的顏色視覺，但仍有兩億人因爲其色覺存在缺陷而不能正確辨認和區分顏色，被稱爲色覺異常或色盲。

色覺異常者不能完整或正確地分辨可見光譜花圍內的顏色，也不能正確匹配還原出各類不一樣的顏色，因爲人與人之間的色覺感覺沒法彼此交流，因此色覺異常很難在平常生活中被發現，通常須要進行色覺檢查在才能斷定出包覺的異常，色覺異常者中，男性的比例約爲女性的7～10倍，歐美國家人口的色盲發生率大大高於東方人，而非洲人的色盲發生率極低。

 

 

 

參考文獻：

徐海松. 顏色信息工程.第2版[M]. 浙江大學出版社, 2015.