探讨人眼的颜色感知能力

前面总结出无光就无色，但牛顿也有句名言：光线中没有色彩。

事实上，只有光进入人的眼睛才产生了包括颜色感觉在内的视觉。人眼在颜色视觉中起着接受和感知光线的作用。更严格地说，是眼睛对光线的刺激产生了响应，响应信号又传递给大脑，经过大脑的加工和处理，才最终形成了颜色的感觉。所以说，从客观物质的角度看，光线仅是电磁波，本身并没有颜色的特征，是我们人眼对它的感受赋予了颜色特征。通常说，人眼能够分辨颜色，实质上是对一定范围内不同波长的电磁波产生了不同的颜色感觉。

人眼能够分辨颜色的机理一直是人们所关心和探讨的课题。其中，较有影响的是扬-赫姆霍尔兹的三色学说（Three-Component Theory）和赫林的四色学说（也称为对立学说）。前者建立在颜色混合的实验规律之上，后者则是由视觉现象总结出来的。这两种学说都能解释大量的颜色视觉现象，但也都存在不足。因此，在这两种学说的基础上，1971年，由Vos和Walraven提出了相对完善的阶段学说。

三色学说源于实践中发现：用红、绿、蓝三色光量以不同的比例，在视觉上可混合出各种不同的颜色。根据这样的实验规律，扬-赫姆霍尔兹提出的假设认为：人眼视网膜上有三种神经纤维，每种神经纤维受到刺激后所引起的兴奋都会产生一种原色（指红、绿、蓝）的感觉。

图1-10　赫姆霍尔兹的神经纤维兴奋曲线

图1-10为赫姆霍尔兹的神经纤维兴奋曲线。对光谱的每一波长，三种纤维都有其特有的兴奋水平，三种纤维不同程度的兴奋，就产生了不同的颜色感觉。例如，长波端的光同时刺激“感红”、“感绿”、“感蓝”三种纤维，如果“感红”纤维的兴奋最强烈，因此产生红色感觉。光刺激同时引起三种纤维强烈兴奋，且兴奋程度相同时，就会产生白色感觉。

三色学说同时认为：总的亮度感觉为三种纤维中每种纤维提供的亮度感觉之和。

近20年来的实验结果证明，人眼视网膜上确实含有三种不同类型的感光神经纤维，分别含有亲红、亲绿、亲蓝的视色素，这三种感光神经纤维均称为锥体细胞。锥体细胞通常在明视觉环境（亮度在3cd/m2以上）下起作用，能够很好地分辨物体的颜色和细节。

颜色行业所涉及的颜色测量及控制技术，均针对在明视觉环境下锥体细胞起作用的视觉颜色。

实验同时证明，在暗视觉环境（日本标准JIS认为亮度在0.03cd/m2以下）中，有一种感光神经纤维起作用，称为杆体细胞。它含有视紫红色素，能够吸收光子产生明亮感觉，但不能产生色彩的感觉，即不能分辨颜色。

三色学说能够很好地解释各种颜色混合现象，是现代颜色工业的理论基础。如彩色电视，就是利用荧光粉发出的不同亮度的红、绿、蓝色光，混合出姹紫嫣红的不同色彩。彩色印刷尽管使用青、品红、黄三色油墨作为原色，但其油墨叠合形成复合色的感觉，仍然是三原色色光混合的过程。

但是，有些颜色现象三色学说却不能解释，如色盲。(www.xing528.com)

四色学说由赫林提出，也称为对立学说。德国的生理学家Ewald根据精神物体学的研究观察发现，红和绿、黄和蓝、黑和白不能同时存在于任何色彩感觉中。比如，如果感知到红色，则不能同时有绿色的感觉。这样，红-绿、黄-蓝、黑-白就总是呈现对立的关系。于是，赫林据此假设视网膜中有三对视素：白-黑视素、红-绿视素和黄-蓝视素。这三对视素的代谢作用包括建设（同化）和破坏（异化）两种过程。当有光刺激白-黑视素时，使其破坏，便引起神经冲动产生白色的感觉；而没有光刺激它时，这对视素重新建设起来，便产生黑色的感觉。类似地，对红-绿视素，红光起破坏作用，绿光起建设作用；对黄-蓝视素，黄光起破坏作用，蓝光起建设作用。每一种颜色不仅影响其本身视素的活动，而且也影响白-黑视素的活动，所以各种颜色也都有一定的明亮度。

三种视素对立活动的组合，产生各种颜色感觉和各种颜色混合现象。

四色学说能够很好地解释色盲现象，但对于三原色能够混合出各种颜色这一现象没有给予说明。

事实上，两种学说都是对问题的一个方面获得了正确认识，而必须通过两者的相互补充才能对颜色视觉获得较为全面的认识。

于是，现代学者提出了阶段学说，认为颜色视觉过程可以分成几个阶段。第一阶段是在视网膜上三种锥体细胞对红、绿、蓝的色响应和明亮度响应，以及杆体细胞对明亮度的响应。第二阶段是三种锥体细胞响应中，红和绿输出的一部分合成为黄色信号；其后，再进行各信号的不同混合，得到两种对立颜色响应红-绿和黄-蓝。此外，三种锥体细胞响应的适当组合，以及杆体细胞的响应，共同形成明亮度响应。视神经将这些经过处理后的信号传输给大脑中枢，形成了饱含明亮度的完整颜色视觉。

随着科技的进步，颜色视觉模型还会进一步完善。

除了颜色感觉外，上述学说都阐明人眼对任何光线还会有明亮度的感觉（明亮度也是颜色感觉的一方面）。如上所述，在明视觉条件下，主要是锥体细胞产生；在暗视觉下，主要是杆体细胞起作用；在明暗条件之间的亮度范围内，两类细胞同时贡献于明亮感觉。

但是，具体到明亮度响应的量化，发现不同波长的光引起人眼的感觉程度是不同的。功率相同但波长不同的光，人眼感到的明亮程度不同，即人眼对不同波长的光有不同的灵敏度。将这种人眼的灵敏度对波长的依赖关系，称为光谱光视效率（函数），也称为视见函数。

由于在明视觉和暗视觉环境中，起决定作用的感光细胞不同，所以，人眼的光谱光视效率也不同。图1-11为国际照明委员会（CIE）根据实验结果规定使用的明视觉光谱光视效率V（λ）和暗视觉光谱光视效率V′（λ），代表正常视觉的观察者中央凹视觉（2°～3°视场）的平均光谱感受特性。其中，各自以最大感受灵敏度为1做了归一化处理。

图1-11　光谱光视效率曲线