1.2 颜色视觉的形成

1.2.1 人眼的颜色视觉

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。

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。

1.2.2 颜色混合

颜色是光形成的，而光的最基本特性之一就是可以进行能量的叠加和分解，叠加和分解的过程造成了颜色的改变。

颜色叠加在一起的颜色混合可以是色光的混合，也可以通过色料（如油墨、染料等）来间接实现混合。在色彩管理的应用范畴中，这两种混合都会遇到。比如，显示器属于自发光体，其姹紫嫣红的色彩只是由三种不同颜色的色光以不同的比例混合出来的；而印刷、打印可输出五颜六色，所使用的色墨也只有有限的几种（通常为四种，为了增加可输出的颜色，现在也逐渐增加色墨的数目）。

在色光的混合中，混合后色光的光谱分布是每个组成色光谱分布的简单相加，故称色光混合为加色混合；而在色料混合中，混合色料对照明光的吸收近似等于几种色料分别吸收掉的光谱总和，未被吸收的剩余光谱则决定了混合后色料的颜色感觉，故称色料的混合为减色混合。

颜色混合遵循由格拉斯曼总结出来的规律，称为格拉斯曼定律。其内容包括：

（1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化：明度、色调和饱和度。

（2）在由两个成分组成的颜色混合中，如果一个成分连续地变化，混合色的外貌也连续地变化。

（3）颜色外貌相同的光，不管它们的光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。

（4）混合色光的总亮度等于组成混合色的各颜色光的亮度之和，称为亮度相加定律。

第（1）条内容已在本章开篇中介绍。

由第（2）条内容推想：如果混合的两个颜色中一个颜色连续地变化，总可以使混合色成为中灰色。因此，第（2）条的推论之一是：每一种颜色都有一个补色。如果某一颜色与其补色以适当的比例混合，便产生中灰色；如果两者按其他比例混合，便产生与比例大的颜色成分接近的非饱和色。该推论称为补色律。

相反，任何两个非补色相混合，则会产生中间色，中间色的色调决定于两颜色的相对数量，其饱和度决定于两者在色调顺序上的差异大小。该推论称为中间色律。

第（3）条的内容是说，凡是在视觉上相同的颜色都是等效的，而不管它们的物体特性——光谱分布是否相同。进一步而言，它们也可以相互替代，代替后所得到的颜色效果仍然是相同的。这两方面内容称为等效律和代替律。

代替律是一条非常重要的基本定律。举个例子：使用电子管技术的CRT显示器，由高速电子撞击荧光粉发光；使用液晶技术的显示器则由三种不同颜色的滤色片透射不同强度的光。由于发光机制不同，在CRT显示器上发出的某一红颜色色光，其光谱分布通常在液晶显示器上是无法复现的。值得庆幸的是，代替律这条实验定律告诉我们，不能复现色光的光谱成分也没有关系，只要能复现颜色的属性特征就可以，而这在不同的显示技术间是可以做到的，即可以实现不同显示器上、不同光谱成分的等视觉颜色再现。因此，我们看到了这个红色既可以在这个显示器上形成，也可以在那个显示器上形成；这个黄色既可以在这个显示器上出现，也可以在那个显示器上出现。

这个例子表明，代替律这条实验定律，成为支撑显示技术的理论基础。事实上，现代色度学理论和几乎所有的颜色复制技术都是通过颜色的代替实现的。

1.2.3 加色三原色和减色三原色

上节谈了颜色混合可以产生新的颜色的问题，这节谈怎样利用颜色混合现象由少数个颜色混合出大量的其他颜色，这也是工业颜色复制技术所需要的理论依据。

颜色匹配实验表明：在色光的加色混合以产生大量颜色的情况，通常使用红、绿、蓝三个原色光便可以最大效率地混合出众多其他的颜色。于是，红、绿、蓝被称为加色三原色。

对于相同比例红、绿、蓝色光的混合情况，所形成颜色感觉的基本规律为：

红光+绿光=黄光

红光+蓝光=品红光

绿光+蓝光=青光

红光+绿光+蓝光=白光

对于比例不同的情况，便混合出其他各种颜色。

彩色电视的各种各样的颜色就是由红、绿、蓝三个颜色不同比例混合出来的；数字相机拍摄得到的颜色数值RGB（代表红、绿、蓝），记录的也是景物颜色的红、绿、蓝光量值。所以，彩色电视和摄影等技术都是直接或间接地应用了加色三原色的原理。

类似的，在色料（油墨、染料、颜料等）混合的减色混合中，使用红、绿、蓝色光的补色色料青、品红、黄色作为基本颜色，用来吸收入射光中的红、绿、蓝色光，得到各种不同的颜色。尽管减色混合使用的原色颜色看上去与红、绿、蓝不一样，但混合的本质都是控制红、绿、蓝色光的比例，只不过实现的方式不同。

对于等比例色料吸收等比例的红、绿、蓝色光的情况，减色混合的规律为：

黄∩品红=红

黄∩青=绿

品红∩青=蓝紫

黄∩品红∩青=黑

上式中符号“∩”表示是色料的混合。

同样，不同比例可混合得到其他颜色。

彩色印刷、打印都属于使用青、品红、黄三原色的情况。实际上，彩色印刷和打印等彩色复制，还使用了黑色作为原色之一，成为第四个原色。加入黑色并不是原理上的需要，而是因为实际的青、品红、黄色料的光谱性能不理想，混合出来的黑色不够纯正、不够深，用黑色料直接取代三色的混合黑色，可提高黑色和整个画面的质量，当然也有节省成本等益处。

无论是加色混合还是减色混合，虽然都使用三原色，但三原色的选择并不是唯一的，只要满足其中任何一种原色不能由其余两个原色混合得到就可以。

如红、绿、蓝三原色加色的情况，使用荧光粉的显示器的红、绿、蓝三个原色与液晶显示器的红、绿、蓝三个原色在视觉上看就不一样（如果用色度学的定量方法量化，其对应色的色度值也是不同的），但都能也都实现了混合出各种各样的颜色来。又如，在青、品红、黄三原色减色的情况下，印刷用的青、品红、黄色墨和打印用的青、品红、黄色墨视觉上也不相同，同样也都实现了多色输出。

那么，不同的三原色产生的混合效果有怎样的差异呢？其结果是：所能混合出来的颜色多少是不同的。三原色的饱和度越高，即常说得越鲜艳，所能混合出的颜色就越多。因此，在影视、印刷等行业，寻求高饱和度的原色一直是技术的追求。