设计色彩学中的三色学说

在牛顿（Isaac Newton）的棱镜色散实验之后，英国的医学及物理学家托马斯·扬（T.Yong）在1802年提出，虽然人眼能分辨出自然界可见光范围中的所有颜色，但在人眼视网膜上不可能有自然界色彩那么多的视神经种类。他认为，人眼视网膜上只有三种基本视觉神经纤维，它们分别是感红神经纤维、感绿神经纤维、感蓝神经纤维。当光刺激人的视觉器官时，感红神经纤维、感绿神经纤维、感蓝神经纤维对不同波长光的感受是不相同的，长波光对感红神经纤维的刺激最强烈，中间波长的光对感绿神经纤维的作用显著，短波长的光最能引起感蓝神经纤维的强烈兴奋。当红光刺激人眼时，虽然能同时引起三种神经纤维的兴奋，但视网膜上的感红神经兴奋最强烈，因而产生红色的感觉。依此可知，白光刺激同时引起三种神经纤维的强烈兴奋，产生白色感受。

随后，德国的生理、物理学家赫尔曼·赫姆霍尔兹（H.Helmholtz）对托马斯·扬的学说进行了理论补充。他认为，人眼视网膜上存在三类不同的感光细胞，它们在光的刺激下产生兴奋，并分别将这种兴奋值转换成各自视神经所固有的特殊能量传送到大脑，在大脑中分别形成红色感觉、绿色感觉和蓝色感觉后，最终融合成综合的、完整的色觉。这三类细胞分别为感红细胞、感绿细胞、感蓝细胞，三种神经分别为感红神经、感绿神经、感蓝神经。它们分别形成三组平行构造的色觉通道，其模型如图3.1所示。

图3.1　赫姆霍尔兹平行构造色觉三色模型

图3.2是赫姆霍尔兹绘制的视网膜上的三种感色神经纤维的光谱响应曲线。感红神经纤维对可见光中的红光波段敏感，感绿神经纤维对可见光中的绿光波段敏感，感蓝神经纤维对可见光中的蓝光波段敏感。同时，这三种感色神经纤维除了有各自的主感色光外，也能对其他不同波长的色光有一定的感受兴奋水平。当然，这些感色神经纤维的感受作用是相互联系的。根据三色学说理论可知，白光作用于人眼时，三种神经纤维的兴奋程度一样，则产生白色的感觉；如果是一种混合色，则它是三种神经纤维按不同比例兴奋的结果。如“红”和“绿”神经纤维兴奋，则会引起黄色的感觉；“绿”和“蓝”神经纤维兴奋，会引起青色的感觉；“红”和“蓝”神经纤维兴奋，会引起品红色的感觉。这就是著名的三色学说（Three Component Theory）。

图3.2　赫姆霍尔兹光谱基本感觉曲线

赫姆霍尔兹所提出的在视网膜上存在三类感色神经纤维的设想，早已为现代解剖学的发现所证实，这就是前面所说的锥体细胞。锥体细胞分为：红视锥细胞、绿视锥细胞与蓝视锥细胞。赫姆霍尔兹所提的理论并不要求颜色刺激是连续光谱，如果用红、绿、蓝三种单色光作用于人眼，改变红、绿、蓝光的比例，就可以混合出各种不同的色光，但混合得到的混合光仍然不是连续光谱，存在着间隔，但它们却可以混合得到各种颜色视觉感受。这是建立在三基色波长的光与各种单色光的颜色匹配实验的基础上，是三色学说的实验证据。在研究三色学说的过程中很多科学家都为此做出了贡献，比较突出的有：Young-Helmholtz模型、König的模型（König是Helmholtz的学生）、Thomson-Wright模型、Fick模型和Walls模型。图3.3是Thomson-Wright模型中的三类感色细胞的光谱响应曲线，可以看出他与赫姆霍尔兹绘制的图3.2非常接近，但是，与现在绘制光谱响应曲线图的习惯一样，他已经将标注光谱波长的顺序变为从短波到长波，而赫姆霍尔兹绘制的图是从长波到短波的顺序。

图3.3　Thomson-Wright曲线(www.xing528.com)

另外值得单独论述的是Walls的贡献，因为他的色品过剩量假设理论对解释显示器上颜色的合成非常有用。Walls认为真正确定色品的实际上是各响应值超过三者中最小值的余量或称过剩量，其相等部分只给出白色响应并使彩度降低。这就是Walls的色品过剩量假设。例如：R＞G＞B，B最小，因而R、G中与B等大的那部分将与B共同合成为白色（W）。R、G比较，又有R＞G，因而R中与G等大的那部分又与G合成为黄（Y）；最后R中剩余部分的红色再与那部分黄色合成，因而最终结果是600 nm单色光的色相是橙色，如图3.4所示。

如果有一束单色光满足R=G＞B的关系，则该单色光的色相是黄色。因为与最小值B相等的部分合成为白色，而R与G相等，R减G后并不再剩余，因而只能成为等量R、G合成的黄色。如果一束单色光满足G＞R=B的关系，则它的色相是绿色。满足B＞G=R的单色光色相是蓝色。显然没有任何一个波长的单色光是白色的。白色的三个响应值相等，即R=G=B。

图3.4　用过剩假设分析色品

三色学说是建立在颜色混合理论的物理学基础上，能够充分地解释颜色混合的现象，即颜色混合过程中，混合色是三种感光细胞按照兴奋程度融合成的色觉。这在上面的内容中已有说明，也说明了牛顿的名言，“光线中没有色彩”。三色学说是现代色度学的基础，颜色的定量描述、测量和匹配都是基于三色学说为基础的，用三种基本颜色来混合产生各种混合色与实验结果是完全相符的，它是国际上公认的色度学的理论基础。

同时，三色学说也可很好地解释负后像现象。当眼睛注视绿色一段时间，则感绿纤维被激活并一直处于工作状态，当眼睛转而去看一个灰背景时，感绿纤维已经疲劳不能再发生反应了，而感红神经纤维和感蓝神经纤维仍能对白光中的红光和蓝光起反应，所以得到一个品红色的影像，我们称之为负后像。

三色学说也可以解释颜色对比效应。人在观察物体时并不是一直注视某一点不动，而是视线不断地在附近转来转去。当观察一个蓝、白相间的邻近区域时，感蓝视觉神经相对疲劳，从而降低蓝色的灵敏度，送出的信息中蓝色成分少，而在白色区域就看到蓝色的补色黄色。

三色学说也有不足之处，就是它不能满意地解释色盲现象。对于色盲现象，三色学说认为是因为人的视觉器官缺少一种感色神经纤维而造成单色盲，同时缺少三种感色纤维会造成全色盲。如果按照这种说法，应该有三种色盲，分别是红色盲、绿色盲和蓝色盲，并且它们可以单独存在。但事实是，几乎所有的红色盲同时也是绿色盲，也就是常说的红绿色盲。其次，三色学说认为，只有三种感色神经同时兴奋时，才能产生白色和灰色感觉，而色盲者既然缺乏一种或三种神经，他们是不可能有白色的感觉的，而事实上色盲者是能看到白色的。这显然与事实是矛盾的。第三，按照三色学说，红绿色盲是因为没有感红神经纤维和感绿神经纤维，所以这两种神经产生的黄色的感觉也应是不存在的，可是，红绿色盲者对黄色的感觉却是正常的。

三色学说还不能解释颜色为什么会存在补色，为什么人们观察不到偏绿的红色，而能观察到偏黄的红色。