颜色视觉

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颜色视觉(color vision),光谱上380~760纳米(nm)波长的辐射能量作用于人的视觉器官所产生的颜色感觉,又称色觉。在可见光谱上从长波端到短波端依次产生的色觉为红、橙、黄、绿、蓝、紫(见表)。相邻的颜色间还存在着各种中间色,如橙黄、绿蓝等。人眼对光谱各波长的辨别能力是很不一样的,对光谱某些部位,如480纳米和565纳米特别敏感,在这两个部位上,波长变化不到1纳米人眼便可看出颜色的差别,而比较不敏感的部位是在540纳米附近及光谱的两端。在整个光谱上人们可以分辨100多种不同的颜色。物体表面的颜色取决于物体反射和吸收照射在其上的光波的情况。一个表面在白光照射下呈现红色,是由于它吸收了短波长的光而反射了长波长的光。

光谱颜色的波长及范围



  颜色有3个基本特性:色调、饱和度和明度(见彩图)。色调是区别不同色彩的特性,如颜色能够借以区别为红、橙、黄、绿、蓝等;饱和度是指彩色的纯洁程度,光谱上的各单色光的饱和度最大,其掺入的白色越多,就越不饱和;明度是彩色光的明亮程度, 彩色物体表面的光反射率越高,明度就越大。用一个三维空间的纺锤体可以方便地说明颜色3个基本特性的相互关系(图1)。任何一个颜色都在这个颜色立体中占据一个位置。(见孟塞尔颜色系统)

颜色立体



  视网膜两种基本感光细胞及感色区  人眼视网膜中存在两种感光细胞,锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞能分辨颜色,杆体细胞对微光起作用,但不能分辨颜色。视网膜上只存在杆体细胞或锥体细胞很少的动物,如狗、猫、鼠、猫头鹰、猪等都没有色觉。类人猿具有与人一样的色觉。白天活动的鸟、爬行动物、多刺鱼类、昆虫都有色觉。由于锥体细胞主要分布在视网膜中央,杆体细胞多分布在边缘部位。因此,有正常色觉的人,在视网膜中央部位能分辨各种颜色,但向边缘部位过渡时,由于锥体细胞减少,辨别颜色的能力便逐渐减弱。人的视网膜能够感受颜色的区域因颜色而不同,白色最宽,然后依次是蓝色和黄色,红色和绿色最窄。因此,与中央区相邻的外周部位先失去红、绿色的感觉,在视网膜更外周部位,对黄、蓝色的感觉也消失,只有明暗的感觉(图2)。

视网膜的颜色区



  颜色混合  人们不仅对单色光产生色觉,而且对几种单色光的混合光也可以产生同样的色觉。例如,520纳米的单色光产生绿色,510纳米与530纳米的单色光混合也可以产生绿色,而且人眼感觉不出这两者有什么差别。光谱中色光混合是一种加色混合。用3种原色光:红(R)、绿(G)、蓝(B)按一定比例混合可以得到白色光或光谱上任意一种色光。为了匹配某一特定颜色(C)所需的三原色数量叫做三刺激值,分别以R、G、B表示。颜色方程为:
   
(C)∈R(R)+G(G)+B(B)。

相加混色的结果可以用一个色三角表示。1854年H.G.格拉斯曼将颜色混合现象归纳为3条定律,即补色律中间色律代替律。每一种色光都有另一种同它相混合而产生白色的色光,这两种色光称为互补色。例如蓝色和黄色,绿色和紫色,红色和青色混合都能产生白色。两种非补色混合则不能产生白色,而会产生一种新的混合色或者介乎两者之间的中间色。如混合红与绿,按混合的比例不同,可以得到介乎它们之间的橙、黄、黄橙等各种颜色。看起来相同的颜色可以由不同的光谱组成,但他们在颜色混合中的效果却相同。只要感觉上是相似的颜色,都可以相互代替,所得到的视觉效果是同样的。例如,颜色A=颜色B,颜色C=颜色D,则A+C=B+D;又如A+B=C,而X+Y=B,则A+(X+Y)=C。这就是代替律,它是一条很重要的定律,现代色度学就是以它为基础而建立的。颜色混合定律只适用于色光的混合,而不适用于染料、颜料的混合。染料、颜料的色混合是一种减色混合,它的三原色是黄、青、紫。根据加色法原理,将黄色光与蓝色光按一定比例混合可以得到白色光,但是,混合黄和蓝色颜料得到的却不是白色而是绿色。颜料的色混合得到的颜色是颜料吸收了一定波长的光线以后所反射的光线的波长。例如将黄颜料和青颜料混合,黄颜料从白光中吸收了蓝光,而青颜料吸收了红光,在入射的白光中只剩下绿光,因此,我们便得到绿色的感觉。(见彩图)

颜色适应



  彩色电视、彩色摄影以及三色印刷就是根据颜色混合原理,采用三原色模拟原景物颜色的。
  颜色对比和颜色适应  在视野中,相邻区域的不同颜色的相互影响叫颜色对比。同样一种颜色,放在暗背景上看起来觉得明亮些,而放在亮背景上则显得暗些,这是明度对比的结果。两块绿色纸片,一块放在蓝色背景上,一块放在黄色背景上,在黄色背景上的带上了蓝,在蓝色背景上的带上了黄,这是色调对比的结果。一种颜色与背景色之间的对比,通常都是从背景中诱导出一个补色,黄和蓝是互补色,因此放在蓝色背景上的绿色纸片带上了黄色。
  当人眼注视某一颜色一段时间后就会引起颜色视觉的变化,这就是颜色适应(见彩图)。如注视某一色光,在对该色光适应之后,再把眼睛转到另一种色光时,就会发现后一种色光受先前色光的影响而带上了适应光的补色成分。眼睛注视一个红色的光圈几分钟后,把视线移向一白色背景时,会见到一个蓝绿色的光圈出现在白色的背景上。颜色适应的这种效应叫负后象
  色觉异常  对某些颜色辨别能力差,或对某些颜色,甚至所有颜色都不能辨别的现象称为色觉异常。大约有8%左右的男性及0.5%左右的女性的色觉有缺陷。色觉异常根据情况可分为三色觉异常(色弱)、二色觉(部分色盲)及单色觉(全色盲)。色弱患者又有红色弱和绿色弱之分。患色弱的人虽然仍可具有三色视觉,但对颜色的感受性却很低。常见的色盲是红绿色盲,红绿色盲对红光和绿光反应不敏感,不能区分红光与黄光或绿光。蓝黄色盲则较罕见,患者只有红、绿色感觉。单色觉者完全丧失对任何颜色的辨别能力,这种人很少,他们只有明暗的感觉,把一切物体都看成是灰色和白色的。
  色盲多是先天的,也有后天的。先天色盲与遗传有关,一般是隔代遗传。先天色盲目前尚无法医治。后天色盲往往由于各种原因造成,如视网膜疾病视神经障碍、脑损伤、医药中毒以及维生素缺乏等。采用假等色图案可以检查色觉异常,具有正常色觉的人能很容易地分辨出图案,而那些色觉异常者却不能从背景中分辨出图案来。(见彩图)

色盲测试图



  参考书目
 荆其诚等著:《色度学》,科学出版社,北京,1979。

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