色彩是什么

一、颜色的含义

颜色或色彩(英语:Colour或Color)是眼、脑和我们的生活经验对光的颜色类别描述的视觉感知特征。这种对颜色的感知来自可见光谱中的电磁辐射对人眼视锥细胞的刺激。颜色是由光反射所产生的,这种反射是由物体的物理性质决定的,如光的吸收、发射光谱等。但人对颜色的感觉不仅仅由光的物理性质所决定,还包含心理等许多因素,比如人类对颜色的感觉往往受到周围颜色的影响。有时人们也将物质产生不同颜色的物理特性直接称为颜色。 ——wikipedia

通俗地说就是“光给人的感觉”

  • 光:波长与振幅。 波长区别色相,振幅决定明暗。
  • 人(眼睛):观察者的反应。

这两点是不可或缺的,常见的狭见是简单的认为颜色只是光的物理属性,不过如果仅仅说色彩是光的特性还是不准确的,可见光谱(不同波长的光)中并不包含所有色相(没有紫红、洋红…),而且同一波长的光在不同环境下在人感觉到的颜色可能并不相同。色彩终究是人的感觉,并不完全取决于光,自上(思维)而下(刺激)的意识处理也会对色彩认知有影响。

二、光

光的本质

  • 引起人的视觉反应的那一部分电磁辐射波才叫作光,即可见光。(380mm-780mm)
  • 光的物理性质决定于波长和振幅两个因素。波长区别色相,振幅决定明暗。
  • 光具有波粒二象性。
  • 光直接传入人眼,视觉感受到的是光源色。光直接传入人眼,视觉感受到的是光源色。但光照射,如遇玻璃之类的透明物体,人眼看到的是透过物体的穿透色。

光源色对物体颜色的影响
1. 亮度的变化。
2. 光源与观察者距离的变化,会使光源色改变。
3. 传播媒质的变化。
4. 环境色对物体颜色的影响

光谱

  1. 光谱光:也可以称为单色光,其所含所有光子都是同一波长,因为其波长取值范围值是可见光谱,所以被称为光谱光。
  2. 把波长400-700nm的可见光分为三段:400-500nm为蓝光范围。500-600nm为绿光范围。600-700nm为红光范围。
  3. 把波长为435.8,546.1和700nm的蓝、绿和红光称为三原色光。
  4. 混合光:所含的光子的波长并不是统一的,由不同的光谱光以不同强度“混合”而成,“混合”并非指产生了新的光,实际上“混合”只是位置的混合罢了。因为牛顿的分光实验,就是那个用三棱镜把白光分成七彩光谱的的实验,有的人就此误以为混色是把不同颜色光混合起来产生了新波长的光所以颜色改变了。有许多颜色是不可能是单色的,因为没有这样的单色的颜色。比如说黑色、灰色和白色就是这样的颜色,粉红色或淡紫色也是这样的颜色。(出于眼睛的生理原理,我们无法区分这单色光和混合光的颜色。)

色彩是什么

色温

  • 光谱的特性标志就是色温。
  • 波长越短频率越高,能量越强/400 nm 蓝紫光要比 740 nm 的红光色温要高。与普通人自己感觉的红色更温暖,蓝色更冷正好相反,不过在绘画和摄影领域常用色温的称呼就是人感受的色温即红暖、蓝冷,注意区分。

眼睛的视觉原理

彩色视觉(color vision)是一个生物体或机器基于物体所反射,发出或透过的光的波长(或频率) 以区分物体的能力。颜色可以以不同的方式被测量和量化;事实上,人对颜色的感知是一个主观的过程,即,脑响应当进入的光与眼中的若干种视锥细胞作用时所产生的刺激。在本质上,不同的人也许会以不同的方式看同一个物体。

视杆细胞(英语:rod cell),是视网膜上与视锥细胞相称的一种细胞,主要分布在视网膜中心周围,且较视锥细胞对光更敏感,几乎主要全部用于夜视力,并作为外围视力的支持。人类视网膜平均有约1亿2500万个视杆细胞。

视锥细胞(英语:cone cell)是视网膜上的一种色觉和强光感受细胞,视细胞的一种,因树突为锥形故称。人类每只眼球视网膜大约600-700万的视锥细胞,大多分布在视网膜黄斑处,周围逐渐减少。视锥细胞主要负责颜色识别,并且在相对较亮的光照下更能发挥作用。人的眼睛内有几种辨别颜色的锥形感光细胞,分别对黄绿色、绿色和蓝紫色(或称紫罗兰色)的光最敏感(波长分别为564、534和420纳米)。视锥细胞形成的视觉信号复合后为人呈现了色彩缤纷的世界。

色彩是什么

人类通常具有三种类型的视锥细胞。 第一种对长波长的光响应最大,峰值波长约为560 nm。 有时将这种类型视锥细胞称为L。 第二种类型对中波长的光响应最大,在530 nm处达到峰值,通常简称此介质为M。 第三种类型对短波长的光响应最大,在420 nm处达到峰值,并且简称为S。 这三种类型的峰值波长分别取决于个人,所以范围会分别在564–580 nm,534–545 nm和420–440 nm附近。人类视锥细胞的峰值响应因人而异,即使在具有正常彩色视觉的个体之间也是如此。

这三种类型不完全对应于如我们所知的特定的颜色。相反,对颜色的感知是由一个开始于这些位于视网膜的细胞差异化的输出,且将在大脑的视觉皮层和其它相关区域中完成的复杂的过程实现的。 例如,尽管L视锥细胞简称为红色感受器,紫外-可见分光光度法表明它们的峰值敏感度在光谱的绿黄色区域。类似的,S-视锥细胞和M-视锥细胞也不直接对应蓝色和绿色,尽管它们经常被这样描述。重要的是注意RGB色彩模型仅仅是用以表达颜色的一个方便的方式,而不是直接基于人眼中的视锥细胞类型。
色彩是什么

三色学

1807年托马斯·杨(Thomas Young)提出了红、绿、蓝三种原色以不同比例混合可以产生各种颜色的假设。这个假设为以后的颜色混合实验所证实。在此基础上1862年赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)提出了一个颜色视觉的生理学理论。他假设在人眼内有三种基本的颜色视觉感觉纤维,后来发现这些假设的纤维和视网膜的锥体细胞的作用相类似。所以近代的三色理论认为三种颜色感觉纤维实际上市视网膜的三种锥体细胞。每一种锥体细胞包含一种色素,三种锥体细胞色素的光吸收特性不同,所以在光照射下他们吸收和反射不同的光波。
当色素吸收光是,锥体细胞发生生物化学变化,产生神经兴奋。锥体细胞吸收的光越多,反应越强烈;吸收的光越少,反应就越小。因此,当光谱红端波长的光射到第一种锥体细胞上时它的反应强烈,而光谱蓝端的光射到它上面时反应就很小。黄光也能引起这种锥体细胞的反应,但比红光引起的反应要弱。由此可见,第一种锥体细胞是专门感受红光的,相似的,第二种和第三种锥体细胞则分别是感受绿光和蓝光的。如上述所说,说明了视网膜的三种视锥细胞分别优先敏感于蓝、绿和红色。

我们已经知道,红、绿、蓝三种原色以不同比例混合可以产生各种颜色。白色包括光谱中各种波长的成分。但用白光刺激眼睛时,会同时引起三种锥体细胞的兴奋,在视觉上就会产生白色的感觉。当用黄光刺激眼睛时,将会引起红、绿两种锥体细胞几乎相等的反应,而只引起蓝色细胞很小的反应。这三种细胞不同程度的兴奋结果产色黄色的感觉。正如颜色混合时,等量的红和绿加上少量的蓝会产生黄色一样。其他颜色也可由此相应的产色。

三色学说可以解释不少颜色现象,现代的彩色印刷、照相分色、彩色电视机等都是基于三色学说。但还是有许多颜色现象仅用三色理论模型难以解释,例如:色盲现象,蓝色锥体细胞对波长大于600nm的光波是不敏感的。所以可认为在此波长以上的刺激将产生带绿的红色感觉,但实际上我们看到的是黄红色或橙色。同时上述三色模型不考虑白和黑,这些现象意味着锥体细胞以后还有一层信号处理,把经过三通道变换后的信号再变换成新的空间。

四色学

四色学说又叫对立学说。早在1864年Ewald Hering就根据心理物理学的实验结果提出了颜色的对立机制理论,又叫四色理论。他的理论是根据以下的观察得出的:有些颜色看起来是单纯的,不是其他颜色的混合色,而另外一些颜色则看起来是由其他颜色混合得来的。一般人认为橙色是红和黄的混合色,紫色是红和蓝的混合色。而红、绿、蓝、黄则看起来是纯色,它们彼此不相似,也不像是其他颜色的混合色。因此,Ewald Hering认为红、绿、蓝、黄四种原色。>

Ewald Hering理论的另一个根据是我们找不到一种看起来是偏绿的红或偏黄的蓝,即橙色以及绿蓝色。红和绿,以及黄和蓝的混合得不出其他颜色,只能得到灰色或白色。这就是,绿刺激可以抵消红刺激的作用;黄刺激可以抵消蓝刺激的作用。于是Ewald Hering假设在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给出四种颜色感觉和黑白感觉。每对视素的代谢作用包括分解和合成两种对立过程,光的刺激使白--黑视素分解,产色神经冲动引起白色感觉;无光刺激时,白--黑视素便重新合成黑色感觉,白灰色的物体度所有波长的光都产色分解反应。对红--绿视素来说,红光作用时,使红--绿视素分解引起红色感觉;绿光作用时使红--绿视素合成产生绿色感觉。对黄--蓝视素来说,黄光刺激使它分解于是产生黄色感觉;蓝光刺激使它合成于是产生蓝色感觉。因为各种颜色都有一定的明度,即含有白色的成分。所以,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。
根据Ewald Hering学说,三种视素的对立过程的组合产生各种颜色和各种颜色混合现象。当补色混合时,某一对视素的两种独立过程形成平衡,因而不产色与该视素有关的颜色感觉。但所有颜色都有把白色成分,所以引起白--黑视素的分解,从而产生白色或灰色感觉。同样情况,当所有颜色同时都作用到各种视素,红--绿、黄--蓝视素的对立过程都达到平衡,而只有白--黑视素活动,这就引起白色或灰色感觉。

Ewald Hering学说很好地解释了色盲、颜色负后像等现象。色盲是缺乏一对视素(红--绿、或黄--蓝)或两队视素的结果。Ewald Hering学说的最大问题是对三原色能产色光谱上一一切颜色这一现象没有给以说明。

三色学说和四色学说一个世纪以来一直处于对立的地位,如要肯定一个学说似乎就要否定另一个学说不可。在一段时期,三色学曾占上风,因为它有更大的实用意义。然而,最近一二十年,由于新的实验材料的出现,人们对这两个学说有了新的认识,证明二者并不是不可调和的。事实上,每一个学说都是对问题的一个方面获得了正确的认识,而必须通过二者的相互补充才能对颜色视觉获得较为全面的认识。>

现代生理学研究指出,视网膜中可能存在三种不同的颜色感受器,它们是三种感色的锥体细胞,每种锥体细胞具有不同个光谱敏感特性。同时在视网膜和神经传导通路中的研究中,发现神经系统中可以分为三种反应,光反应(L)、红绿反应(R-G)、黄蓝反应(Y-B),这符合Hering的对立学说。因此可以认为,在视网膜的锥体感受水平是一个三色机制,而在视觉信息想脑皮层视区的传导通路中变成四色机制。>

颜色视觉的过程可以分为几个阶段。第一阶段,视网膜有三组独立的锥体感色物质,他们有选择地吸收光谱不同波长的辐射,同时每一种物质又可单独产生白和黑的反应。在强光作用下产生白的反应,无外界刺激时是黑的反应。第二阶段是把第一阶段的三种锥体细胞的刺激进行重新编码,并向大脑皮层传导。第一种颜色编码是黄--绿信号,它接受来自红、绿两种锥体细胞的输入,然后依照他们的相对强度发生信号。第二种信号编码是黄--蓝信号,在这里黄色信息室来自红和绿两种锥体的输入加以混合而成的。由这三种锥体的输入而编码的信息室一个光的亮度(白--黑)信息。可见在视神经传导通路水平是四色的,这就是第二阶段。而在大脑皮层的视觉中枢,接受这些输送来的信息,产色各种颜色的感觉,为颜色视觉过程的第三阶段。>


参考文献:

解密视错觉马赫带和亮度对比错觉
三色视者与四色视者身后的理论基础:色彩原理
颜色视觉理论:三色学与四色学
横向抑制-Wikepedia
UI 设计知识库 [01] 色彩 · 理论
彩色视觉-Wikepedia
Young–Helmholtz theory-Wikepedia
Ewald Hering-Wikepedia

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  • Twicsy
    Twicsy 2022年7月14日 上午10:12

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