1.2 顏色視覺的形成

1.2.1 人眼的顏色視覺

前面總結出無光就無色，但牛頓也有句名言：光線中沒有色彩。

事實上，只有光進入人的眼睛才產生了包括顏色感覺在內的視覺。人眼在顏色視覺中起著接受和感知光線的作用。更嚴格地說，是眼睛對光線的刺激產生了響應，響應信號又傳遞給大腦，經過大腦的加工和處理，才最終形成了顏色的感覺。所以說，從客觀物質的角度看，光線僅是電磁波，本身并沒有顏色的特征，是我們人眼對它的感受賦予了顏色特征。通常說，人眼能夠分辨顏色，實質上是對一定范圍內不同波長的電磁波產生了不同的顏色感覺。

人眼能夠分辨顏色的機理一直是人們所關心和探討的課題。其中，較有影響的是揚-赫姆霍爾茲的三色學說（Three-Component Theory）和赫林的四色學說（也稱為對立學說）。前者建立在顏色混合的實驗規律之上，后者則是由視覺現象總結出來的。這兩種學說都能解釋大量的顏色視覺現象，但也都存在不足。因此，在這兩種學說的基礎上，1971年，由Vos和Walraven提出了相對完善的階段學說。

三色學說源于實踐中發現：用紅、綠、藍三色光量以不同的比例，在視覺上可混合出各種不同的顏色。根據這樣的實驗規律，揚-赫姆霍爾茲提出的假設認為：人眼視網膜上有三種神經纖維，每種神經纖維受到刺激后所引起的興奮都會產生一種原色（指紅、綠、藍）的感覺。

圖1-10為赫姆霍爾茲的神經纖維興奮曲線。對光譜的每一波長，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，就產生了不同的顏色感覺。例如，長波端的光同時刺激“感紅”、“感綠”、“感藍”三種纖維，如果“感紅”纖維的興奮最強烈，因此產生紅色感覺。光刺激同時引起三種纖維強烈興奮，且興奮程度相同時，就會產生白色感覺。

三色學說同時認為：總的亮度感覺為三種纖維中每種纖維提供的亮度感覺之和。

近20年來的實驗結果證明，人眼視網膜上確實含有三種不同類型的感光神經纖維，分別含有親紅、親綠、親藍的視色素，這三種感光神經纖維均稱為錐體細胞。錐體細胞通常在明視覺環境（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節。

顏色行業所涉及的顏色測量及控制技術，均針對在明視覺環境下錐體細胞起作用的視覺顏色。

實驗同時證明，在暗視覺環境（日本標準JIS認為亮度在0.03cd/m2以下）中，有一種感光神經纖維起作用，稱為桿體細胞。它含有視紫紅色素，能夠吸收光子產生明亮感覺，但不能產生色彩的感覺，即不能分辨顏色。

三色學說能夠很好地解釋各種顏色混合現象，是現代顏色工業的理論基礎。如彩色電視，就是利用熒光粉發出的不同亮度的紅、綠、藍色光，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合色的感覺，仍然是三原色色光混合的過程。

但是，有些顏色現象三色學說卻不能解釋，如色盲。

四色學說由赫林提出，也稱為對立學說。德國的生理學家Ewald根據精神物體學的研究觀察發現，紅和綠、黃和藍、黑和白不能同時存在于任何色彩感覺中。比如，如果感知到紅色，則不能同時有綠色的感覺。這樣，紅-綠、黃-藍、黑-白就總是呈現對立的關系。于是，赫林據此假設視網膜中有三對視素：白-黑視素、紅-綠視素和黃-藍視素。這三對視素的代謝作用包括建設（同化）和破壞（異化）兩種過程。當有光刺激白-黑視素時，使其破壞，便引起神經沖動產生白色的感覺；而沒有光刺激它時，這對視素重新建設起來，便產生黑色的感覺。類似地，對紅-綠視素，紅光起破壞作用，綠光起建設作用；對黃-藍視素，黃光起破壞作用，藍光起建設作用。每一種顏色不僅影響其本身視素的活動，而且也影響白-黑視素的活動，所以各種顏色也都有一定的明亮度。

三種視素對立活動的組合，產生各種顏色感覺和各種顏色混合現象。

四色學說能夠很好地解釋色盲現象，但對于三原色能夠混合出各種顏色這一現象沒有給予說明。

事實上，兩種學說都是對問題的一個方面獲得了正確認識，而必須通過兩者的相互補充才能對顏色視覺獲得較為全面的認識。

于是，現代學者提出了階段學說，認為顏色視覺過程可以分成幾個階段。第一階段是在視網膜上三種錐體細胞對紅、綠、藍的色響應和明亮度響應，以及桿體細胞對明亮度的響應。第二階段是三種錐體細胞響應中，紅和綠輸出的一部分合成為黃色信號；其后，再進行各信號的不同混合，得到兩種對立顏色響應紅-綠和黃-藍。此外，三種錐體細胞響應的適當組合，以及桿體細胞的響應，共同形成明亮度響應。視神經將這些經過處理后的信號傳輸給大腦中樞，形成了飽含明亮度的完整顏色視覺。

隨著科技的進步，顏色視覺模型還會進一步完善。

除了顏色感覺外，上述學說都闡明人眼對任何光線還會有明亮度的感覺（明亮度也是顏色感覺的一方面）。如上所述，在明視覺條件下，主要是錐體細胞產生；在暗視覺下，主要是桿體細胞起作用；在明暗條件之間的亮度范圍內，兩類細胞同時貢獻于明亮感覺。

但是，具體到明亮度響應的量化，發現不同波長的光引起人眼的感覺程度是不同的。功率相同但波長不同的光，人眼感到的明亮程度不同，即人眼對不同波長的光有不同的靈敏度。將這種人眼的靈敏度對波長的依賴關系，稱為光譜光視效率（函數），也稱為視見函數。

由于在明視覺和暗視覺環境中，起決定作用的感光細胞不同，所以，人眼的光譜光視效率也不同。圖1-11為國際照明委員會（CIE）根據實驗結果規定使用的明視覺光譜光視效率V（λ）和暗視覺光譜光視效率V′（λ），代表正常視覺的觀察者中央凹視覺（2°～3°視場）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行能量的疊加和分解，疊加和分解的過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，也可以通過色料（如油墨、染料等）來間接實現混合。在色彩管理的應用范疇中，這兩種混合都會遇到。比如，顯示器屬于自發光體，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，現在也逐漸增加色墨的數目）。

在色光的混合中，混合后色光的光譜分布是每個組成色光譜分布的簡單相加，故稱色光混合為加色混合；而在色料混合中，混合色料對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，故稱色料的混合為減色混合。

顏色混合遵循由格拉斯曼總結出來的規律，稱為格拉斯曼定律。其內容包括：

（1）人的視覺只能分辨顏色的三種變化：明度、色調和飽和度。

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

（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，稱為亮度相加定律。

第（1）條內容已在本章開篇中介紹。

由第（2）條內容推想：如果混合的兩個顏色中一個顏色連續地變化，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補色。如果某一顏色與其補色以適當的比例混合，便產生中灰色；如果兩者按其他比例混合，便產生與比例大的顏色成分接近的非飽和色。該推論稱為補色律。

相反，任何兩個非補色相混合，則會產生中間色，中間色的色調決定于兩顏色的相對數量，其飽和度決定于兩者在色調順序上的差異大小。該推論稱為中間色律。

第（3）條的內容是說，凡是在視覺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。這兩方面內容稱為等效律和代替律。

代替律是一條非常重要的基本定律。舉個例子：使用電子管技術的CRT顯示器，由高速電子撞擊熒光粉發光；使用液晶技術的顯示器則由三種不同顏色的濾色片透射不同強度的光。由于發光機制不同，在CRT顯示器上發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法復現的。值得慶幸的是，代替律這條實驗定律告訴我們，不能復現色光的光譜成分也沒有關系，只要能復現顏色的屬性特征就可以，而這在不同的顯示技術間是可以做到的，即可以實現不同顯示器上、不同光譜成分的等視覺顏色再現。因此，我們看到了這個紅色既可以在這個顯示器上形成，也可以在那個顯示器上形成；這個黃色既可以在這個顯示器上出現，也可以在那個顯示器上出現。

這個例子表明，代替律這條實驗定律，成為支撐顯示技術的理論基礎。事實上，現代色度學理論和幾乎所有的顏色復制技術都是通過顏色的代替實現的。

1.2.3 加色三原色和減色三原色

上節談了顏色混合可以產生新的顏色的問題，這節談怎樣利用顏色混合現象由少數個顏色混合出大量的其他顏色，這也是工業顏色復制技術所需要的理論依據。

顏色匹配實驗表明：在色光的加色混合以產生大量顏色的情況，通常使用紅、綠、藍三個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、藍被稱為加色三原色。

對于相同比例紅、綠、藍色光的混合情況，所形成顏色感覺的基本規律為：

紅光+綠光=黃光

紅光+藍光=品紅光

綠光+藍光=青光

紅光+綠光+藍光=白光

對于比例不同的情況，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、藍三個顏色不同比例混合出來的；數字相機拍攝得到的顏色數值RGB（代表紅、綠、藍），記錄的也是景物顏色的紅、綠、藍光量值。所以，彩色電視和攝影等技術都是直接或間接地應用了加色三原色的原理。

類似的，在色料（油墨、染料、顏料等）混合的減色混合中，使用紅、綠、藍色光的補色色料青、品紅、黃色作為基本顏色，用來吸收入射光中的紅、綠、藍色光，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、藍不一樣，但混合的本質都是控制紅、綠、藍色光的比例，只不過實現的方式不同。

對于等比例色料吸收等比例的紅、綠、藍色光的情況，減色混合的規律為：

黃∩品紅=紅

黃∩青=綠

品紅∩青=藍紫

黃∩品紅∩青=黑

上式中符號“∩”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。實際上，彩色印刷和打印等彩色復制，還使用了黑色作為原色之一，成為第四個原色。加入黑色并不是原理上的需要，而是因為實際的青、品紅、黃色料的光譜性能不理想，混合出來的黑色不夠純正、不夠深，用黑色料直接取代三色的混合黑色，可提高黑色和整個畫面的質量，當然也有節省成本等益處。

無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，只要滿足其中任何一種原色不能由其余兩個原色混合得到就可以。

如紅、綠、藍三原色加色的情況，使用熒光粉的顯示器的紅、綠、藍三個原色與液晶顯示器的紅、綠、藍三個原色在視覺上看就不一樣（如果用色度學的定量方法量化，其對應色的色度值也是不同的），但都能也都實現了混合出各種各樣的顏色來。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、黃色墨視覺上也不相同，同樣也都實現了多色輸出。

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