1.2 顏色視覺(jué)的形成

1.2.1 人眼的顏色視覺(jué)

前面總結(jié)出無(wú)光就無(wú)色，但牛頓也有句名言：光線(xiàn)中沒(méi)有色彩。

事實(shí)上，只有光進(jìn)入人的眼睛才產(chǎn)生了包括顏色感覺(jué)在內(nèi)的視覺(jué)。人眼在顏色視覺(jué)中起著接受和感知光線(xiàn)的作用。更嚴(yán)格地說(shuō)，是眼睛對(duì)光線(xiàn)的刺激產(chǎn)生了響應(yīng)，響應(yīng)信號(hào)又傳遞給大腦，經(jīng)過(guò)大腦的加工和處理，才最終形成了顏色的感覺(jué)。所以說(shuō)，從客觀(guān)物質(zhì)的角度看，光線(xiàn)僅是電磁波，本身并沒(méi)有顏色的特征，是我們?nèi)搜蹖?duì)它的感受賦予了顏色特征。通常說(shuō)，人眼能夠分辨顏色，實(shí)質(zhì)上是對(duì)一定范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的電磁波產(chǎn)生了不同的顏色感覺(jué)。

人眼能夠分辨顏色的機(jī)理一直是人們所關(guān)心和探討的課題。其中，較有影響的是揚(yáng)-赫姆霍爾茲的三色學(xué)說(shuō)（Three-Component Theory）和赫林的四色學(xué)說(shuō)（也稱(chēng)為對(duì)立學(xué)說(shuō)）。前者建立在顏色混合的實(shí)驗(yàn)規(guī)律之上，后者則是由視覺(jué)現(xiàn)象總結(jié)出來(lái)的。這兩種學(xué)說(shuō)都能解釋大量的顏色視覺(jué)現(xiàn)象，但也都存在不足。因此，在這兩種學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上，1971年，由Vos和Walraven提出了相對(duì)完善的階段學(xué)說(shuō)。

三色學(xué)說(shuō)源于實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：用紅、綠、藍(lán)三色光量以不同的比例，在視覺(jué)上可混合出各種不同的顏色。根據(jù)這樣的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，揚(yáng)-赫姆霍爾茲提出的假設(shè)認(rèn)為：人眼視網(wǎng)膜上有三種神經(jīng)纖維，每種神經(jīng)纖維受到刺激后所引起的興奮都會(huì)產(chǎn)生一種原色（指紅、綠、藍(lán)）的感覺(jué)。

圖1-10為赫姆霍爾茲的神經(jīng)纖維興奮曲線(xiàn)。對(duì)光譜的每一波長(zhǎng)，三種纖維都有其特有的興奮水平，三種纖維不同程度的興奮，就產(chǎn)生了不同的顏色感覺(jué)。例如，長(zhǎng)波端的光同時(shí)刺激“感紅”、“感綠”、“感藍(lán)”三種纖維，如果“感紅”纖維的興奮最強(qiáng)烈，因此產(chǎn)生紅色感覺(jué)。光刺激同時(shí)引起三種纖維強(qiáng)烈興奮，且興奮程度相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生白色感覺(jué)。

三色學(xué)說(shuō)同時(shí)認(rèn)為：總的亮度感覺(jué)為三種纖維中每種纖維提供的亮度感覺(jué)之和。

近20年來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，人眼視網(wǎng)膜上確實(shí)含有三種不同類(lèi)型的感光神經(jīng)纖維，分別含有親紅、親綠、親藍(lán)的視色素，這三種感光神經(jīng)纖維均稱(chēng)為錐體細(xì)胞。錐體細(xì)胞通常在明視覺(jué)環(huán)境（亮度在3cd/m2以上）下起作用，能夠很好地分辨物體的顏色和細(xì)節(jié)。

顏色行業(yè)所涉及的顏色測(cè)量及控制技術(shù)，均針對(duì)在明視覺(jué)環(huán)境下錐體細(xì)胞起作用的視覺(jué)顏色。

實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明，在暗視覺(jué)環(huán)境（日本標(biāo)準(zhǔn)JIS認(rèn)為亮度在0.03cd/m2以下）中，有一種感光神經(jīng)纖維起作用，稱(chēng)為桿體細(xì)胞。它含有視紫紅色素，能夠吸收光子產(chǎn)生明亮感覺(jué)，但不能產(chǎn)生色彩的感覺(jué)，即不能分辨顏色。

三色學(xué)說(shuō)能夠很好地解釋各種顏色混合現(xiàn)象，是現(xiàn)代顏色工業(yè)的理論基礎(chǔ)。如彩色電視，就是利用熒光粉發(fā)出的不同亮度的紅、綠、藍(lán)色光，混合出姹紫嫣紅的不同色彩。彩色印刷盡管使用青、品紅、黃三色油墨作為原色，但其油墨疊合形成復(fù)合色的感覺(jué)，仍然是三原色色光混合的過(guò)程。

但是，有些顏色現(xiàn)象三色學(xué)說(shuō)卻不能解釋?zhuān)缟ぁ?/p>

四色學(xué)說(shuō)由赫林提出，也稱(chēng)為對(duì)立學(xué)說(shuō)。德國(guó)的生理學(xué)家Ewald根據(jù)精神物體學(xué)的研究觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，紅和綠、黃和藍(lán)、黑和白不能同時(shí)存在于任何色彩感覺(jué)中。比如，如果感知到紅色，則不能同時(shí)有綠色的感覺(jué)。這樣，紅-綠、黃-藍(lán)、黑-白就總是呈現(xiàn)對(duì)立的關(guān)系。于是，赫林據(jù)此假設(shè)視網(wǎng)膜中有三對(duì)視素：白-黑視素、紅-綠視素和黃-藍(lán)視素。這三對(duì)視素的代謝作用包括建設(shè)（同化）和破壞（異化）兩種過(guò)程。當(dāng)有光刺激白-黑視素時(shí)，使其破壞，便引起神經(jīng)沖動(dòng)產(chǎn)生白色的感覺(jué)；而沒(méi)有光刺激它時(shí)，這對(duì)視素重新建設(shè)起來(lái)，便產(chǎn)生黑色的感覺(jué)。類(lèi)似地，對(duì)紅-綠視素，紅光起破壞作用，綠光起建設(shè)作用；對(duì)黃-藍(lán)視素，黃光起破壞作用，藍(lán)光起建設(shè)作用。每一種顏色不僅影響其本身視素的活動(dòng)，而且也影響白-黑視素的活動(dòng)，所以各種顏色也都有一定的明亮度。

三種視素對(duì)立活動(dòng)的組合，產(chǎn)生各種顏色感覺(jué)和各種顏色混合現(xiàn)象。

四色學(xué)說(shuō)能夠很好地解釋色盲現(xiàn)象，但對(duì)于三原色能夠混合出各種顏色這一現(xiàn)象沒(méi)有給予說(shuō)明。

事實(shí)上，兩種學(xué)說(shuō)都是對(duì)問(wèn)題的一個(gè)方面獲得了正確認(rèn)識(shí)，而必須通過(guò)兩者的相互補(bǔ)充才能對(duì)顏色視覺(jué)獲得較為全面的認(rèn)識(shí)。

于是，現(xiàn)代學(xué)者提出了階段學(xué)說(shuō)，認(rèn)為顏色視覺(jué)過(guò)程可以分成幾個(gè)階段。第一階段是在視網(wǎng)膜上三種錐體細(xì)胞對(duì)紅、綠、藍(lán)的色響應(yīng)和明亮度響應(yīng)，以及桿體細(xì)胞對(duì)明亮度的響應(yīng)。第二階段是三種錐體細(xì)胞響應(yīng)中，紅和綠輸出的一部分合成為黃色信號(hào)；其后，再進(jìn)行各信號(hào)的不同混合，得到兩種對(duì)立顏色響應(yīng)紅-綠和黃-藍(lán)。此外，三種錐體細(xì)胞響應(yīng)的適當(dāng)組合，以及桿體細(xì)胞的響應(yīng)，共同形成明亮度響應(yīng)。視神經(jīng)將這些經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)傳輸給大腦中樞，形成了飽含明亮度的完整顏色視覺(jué)。

隨著科技的進(jìn)步，顏色視覺(jué)模型還會(huì)進(jìn)一步完善。

除了顏色感覺(jué)外，上述學(xué)說(shuō)都闡明人眼對(duì)任何光線(xiàn)還會(huì)有明亮度的感覺(jué)（明亮度也是顏色感覺(jué)的一方面）。如上所述，在明視覺(jué)條件下，主要是錐體細(xì)胞產(chǎn)生；在暗視覺(jué)下，主要是桿體細(xì)胞起作用；在明暗條件之間的亮度范圍內(nèi)，兩類(lèi)細(xì)胞同時(shí)貢獻(xiàn)于明亮感覺(jué)。

但是，具體到明亮度響應(yīng)的量化，發(fā)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光引起人眼的感覺(jué)程度是不同的。功率相同但波長(zhǎng)不同的光，人眼感到的明亮程度不同，即人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的靈敏度。將這種人眼的靈敏度對(duì)波長(zhǎng)的依賴(lài)關(guān)系，稱(chēng)為光譜光視效率（函數(shù)），也稱(chēng)為視見(jiàn)函數(shù)。

由于在明視覺(jué)和暗視覺(jué)環(huán)境中，起決定作用的感光細(xì)胞不同，所以，人眼的光譜光視效率也不同。圖1-11為國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)定使用的明視覺(jué)光譜光視效率V（λ）和暗視覺(jué)光譜光視效率V′（λ），代表正常視覺(jué)的觀(guān)察者中央凹視覺(jué)（2°～3°視場(chǎng)）的平均光譜感受特性。其中，各自以最大感受靈敏度為1做了歸一化處理。

1.2.2 顏色混合

顏色是光形成的，而光的最基本特性之一就是可以進(jìn)行能量的疊加和分解，疊加和分解的過(guò)程造成了顏色的改變。

顏色疊加在一起的顏色混合可以是色光的混合，也可以通過(guò)色料（如油墨、染料等）來(lái)間接實(shí)現(xiàn)混合。在色彩管理的應(yīng)用范疇中，這兩種混合都會(huì)遇到。比如，顯示器屬于自發(fā)光體，其姹紫嫣紅的色彩只是由三種不同顏色的色光以不同的比例混合出來(lái)的；而印刷、打印可輸出五顏六色，所使用的色墨也只有有限的幾種（通常為四種，為了增加可輸出的顏色，現(xiàn)在也逐漸增加色墨的數(shù)目）。

在色光的混合中，混合后色光的光譜分布是每個(gè)組成色光譜分布的簡(jiǎn)單相加，故稱(chēng)色光混合為加色混合；而在色料混合中，混合色料對(duì)照明光的吸收近似等于幾種色料分別吸收掉的光譜總和，未被吸收的剩余光譜則決定了混合后色料的顏色感覺(jué)，故稱(chēng)色料的混合為減色混合。

顏色混合遵循由格拉斯曼總結(jié)出來(lái)的規(guī)律，稱(chēng)為格拉斯曼定律。其內(nèi)容包括：

（1）人的視覺(jué)只能分辨顏色的三種變化：明度、色調(diào)和飽和度。

（2）在由兩個(gè)成分組成的顏色混合中，如果一個(gè)成分連續(xù)地變化，混合色的外貌也連續(xù)地變化。

（3）顏色外貌相同的光，不管它們的光譜組成是否一樣，在顏色混合中具有相同的效果。

（4）混合色光的總亮度等于組成混合色的各顏色光的亮度之和，稱(chēng)為亮度相加定律。

第（1）條內(nèi)容已在本章開(kāi)篇中介紹。

由第（2）條內(nèi)容推想：如果混合的兩個(gè)顏色中一個(gè)顏色連續(xù)地變化，總可以使混合色成為中灰色。因此，第（2）條的推論之一是：每一種顏色都有一個(gè)補(bǔ)色。如果某一顏色與其補(bǔ)色以適當(dāng)?shù)谋壤旌希惝a(chǎn)生中灰色；如果兩者按其他比例混合，便產(chǎn)生與比例大的顏色成分接近的非飽和色。該推論稱(chēng)為補(bǔ)色律。

相反，任何兩個(gè)非補(bǔ)色相混合，則會(huì)產(chǎn)生中間色，中間色的色調(diào)決定于兩顏色的相對(duì)數(shù)量，其飽和度決定于兩者在色調(diào)順序上的差異大小。該推論稱(chēng)為中間色律。

第（3）條的內(nèi)容是說(shuō)，凡是在視覺(jué)上相同的顏色都是等效的，而不管它們的物體特性——光譜分布是否相同。進(jìn)一步而言，它們也可以相互替代，代替后所得到的顏色效果仍然是相同的。這兩方面內(nèi)容稱(chēng)為等效律和代替律。

代替律是一條非常重要的基本定律。舉個(gè)例子：使用電子管技術(shù)的CRT顯示器，由高速電子撞擊熒光粉發(fā)光；使用液晶技術(shù)的顯示器則由三種不同顏色的濾色片透射不同強(qiáng)度的光。由于發(fā)光機(jī)制不同，在CRT顯示器上發(fā)出的某一紅顏色色光，其光譜分布通常在液晶顯示器上是無(wú)法復(fù)現(xiàn)的。值得慶幸的是，代替律這條實(shí)驗(yàn)定律告訴我們，不能復(fù)現(xiàn)色光的光譜成分也沒(méi)有關(guān)系，只要能復(fù)現(xiàn)顏色的屬性特征就可以，而這在不同的顯示技術(shù)間是可以做到的，即可以實(shí)現(xiàn)不同顯示器上、不同光譜成分的等視覺(jué)顏色再現(xiàn)。因此，我們看到了這個(gè)紅色既可以在這個(gè)顯示器上形成，也可以在那個(gè)顯示器上形成；這個(gè)黃色既可以在這個(gè)顯示器上出現(xiàn)，也可以在那個(gè)顯示器上出現(xiàn)。

這個(gè)例子表明，代替律這條實(shí)驗(yàn)定律，成為支撐顯示技術(shù)的理論基礎(chǔ)。事實(shí)上，現(xiàn)代色度學(xué)理論和幾乎所有的顏色復(fù)制技術(shù)都是通過(guò)顏色的代替實(shí)現(xiàn)的。

1.2.3 加色三原色和減色三原色

上節(jié)談了顏色混合可以產(chǎn)生新的顏色的問(wèn)題，這節(jié)談怎樣利用顏色混合現(xiàn)象由少數(shù)個(gè)顏色混合出大量的其他顏色，這也是工業(yè)顏色復(fù)制技術(shù)所需要的理論依據(jù)。

顏色匹配實(shí)驗(yàn)表明：在色光的加色混合以產(chǎn)生大量顏色的情況，通常使用紅、綠、藍(lán)三個(gè)原色光便可以最大效率地混合出眾多其他的顏色。于是，紅、綠、藍(lán)被稱(chēng)為加色三原色。

對(duì)于相同比例紅、綠、藍(lán)色光的混合情況，所形成顏色感覺(jué)的基本規(guī)律為：

紅光+綠光=黃光

紅光+藍(lán)光=品紅光

綠光+藍(lán)光=青光

紅光+綠光+藍(lán)光=白光

對(duì)于比例不同的情況，便混合出其他各種顏色。

彩色電視的各種各樣的顏色就是由紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色不同比例混合出來(lái)的；數(shù)字相機(jī)拍攝得到的顏色數(shù)值RGB（代表紅、綠、藍(lán)），記錄的也是景物顏色的紅、綠、藍(lán)光量值。所以，彩色電視和攝影等技術(shù)都是直接或間接地應(yīng)用了加色三原色的原理。

類(lèi)似的，在色料（油墨、染料、顏料等）混合的減色混合中，使用紅、綠、藍(lán)色光的補(bǔ)色色料青、品紅、黃色作為基本顏色，用來(lái)吸收入射光中的紅、綠、藍(lán)色光，得到各種不同的顏色。盡管減色混合使用的原色顏色看上去與紅、綠、藍(lán)不一樣，但混合的本質(zhì)都是控制紅、綠、藍(lán)色光的比例，只不過(guò)實(shí)現(xiàn)的方式不同。

對(duì)于等比例色料吸收等比例的紅、綠、藍(lán)色光的情況，減色混合的規(guī)律為：

黃∩品紅=紅

黃∩青=綠

品紅∩青=藍(lán)紫

黃∩品紅∩青=黑

上式中符號(hào)“∩”表示是色料的混合。

同樣，不同比例可混合得到其他顏色。

彩色印刷、打印都屬于使用青、品紅、黃三原色的情況。實(shí)際上，彩色印刷和打印等彩色復(fù)制，還使用了黑色作為原色之一，成為第四個(gè)原色。加入黑色并不是原理上的需要，而是因?yàn)閷?shí)際的青、品紅、黃色料的光譜性能不理想，混合出來(lái)的黑色不夠純正、不夠深，用黑色料直接取代三色的混合黑色，可提高黑色和整個(gè)畫(huà)面的質(zhì)量，當(dāng)然也有節(jié)省成本等益處。

無(wú)論是加色混合還是減色混合，雖然都使用三原色，但三原色的選擇并不是唯一的，只要滿(mǎn)足其中任何一種原色不能由其余兩個(gè)原色混合得到就可以。

如紅、綠、藍(lán)三原色加色的情況，使用熒光粉的顯示器的紅、綠、藍(lán)三個(gè)原色與液晶顯示器的紅、綠、藍(lán)三個(gè)原色在視覺(jué)上看就不一樣（如果用色度學(xué)的定量方法量化，其對(duì)應(yīng)色的色度值也是不同的），但都能也都實(shí)現(xiàn)了混合出各種各樣的顏色來(lái)。又如，在青、品紅、黃三原色減色的情況下，印刷用的青、品紅、黃色墨和打印用的青、品紅、黃色墨視覺(jué)上也不相同，同樣也都實(shí)現(xiàn)了多色輸出。

那么，不同的三原色產(chǎn)生的混合效果有怎樣的差異呢？其結(jié)果是：所能混合出來(lái)的顏色多少是不同的。三原色的飽和度越高，即常說(shuō)得越鮮艷，所能混合出的顏色就越多。因此，在影視、印刷等行業(yè)，尋求高飽和度的原色一直是技術(shù)的追求。