什么是顏色?

發布日期:2023-05-25 11:09:07   來源 : 知乎    瀏覽量 :248
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顏色是視網膜的視錐細胞收集到不同可見光,把光信號轉化為電信號,通過視神經傳到人腦后,產生的感覺。

顏色不是物質,是人腦處理過某物體發出的電磁波后的,分辨出的這種物體的屬性。顏色是某物發出的可見光和人眼對可見光的響應二者共同決定的。

換句話說,顏色只是人體主觀的感受。別的動物的眼睛不一定跟人看到的一樣。你的照相機里拍到的顏色,跟你眼睛看到的,因為感光響應不同,所以也不完全一樣。

但是由于人腦收集到信號后,其實會做歸一化處理,只要三種視錐細胞都齊全,人們看到的顏色就都一樣。也就是說,只要都是正常人眼(非色盲色弱),你看到的藍色的天,和你旁邊小伙伴看到的天是一個藍色。

具體到人眼,由于正常人眼的視網膜有三種錐狀細胞。分別探測長波(L),中波(M),短波(S),如下圖,

(來自 Stockman et al 1993, The Journal of the Optical Society of America, 圖15)

實際的測量曲線中,比藍光中較短的波段紅色視錐細胞的響應也比較突出,大概是0.1,而藍色大概是0.7-0.8。因此,你看到的violet也是藍+紅組合的結果。但是,如果你強調的是,violet是波長為380nm左右的光子的顏色,那么這樣的頂一下,這個顏色確實是存在的。只是,你看到的violet的顏色并不是真實的violet的顏色。畢竟,真實的情況就是藍+紅的組合而已。試想一下,如果紅色的視錐細胞在380nm處沒有一個略強的響應度,那么我們看到的彩虹最終只會止于藍色而已。

如下圖,是羅切斯特大學David Williams教授研究組發表在Nature上的人眼三種錐狀細胞在視網膜上的分布(The arrangement of the three cone classes in the living human eye : Abstract : Nature

圖中顏色是根據實驗后加上的,只是為了區分三種不同的錐狀細胞。紅色表示對長波敏感,綠色對中波敏感,藍色對短波敏感。

每個人這三種錐狀細胞的分布都不盡相同, 如下圖所列的,都是有正常色覺的人眼,但是各種錐狀細胞的比例差很多。

但是如果三種視錐細胞有任何一種缺失或異常,都會造成某種色盲或色弱。由于色盲基因在X染色體上,人群中,大概7%的男性,和0.5%的女性有色盲。比如某位患者說:“有這么一種顏色,有時候人們管它叫紅色,有時又叫棕色,還有時叫桔色。”

人體的視覺感受,源于三種錐狀細胞對輻射來的可見光的響應(具體來講,是把開頭那個響應曲線和入射來的光相乘,再對波長或頻率做簡單積分),這種感光細胞的響應會產生一個電信號,有視神經傳給大腦。

人腦收集到視神經傳來的信號后,三種錐狀細胞傳來的電信號的比值,決定了我們感受到的顏色。三個通道電信號的絕對值,決定了該物體顏色的亮度。

生活中的常識和實驗表明,只要視覺正常,三種錐狀細胞齊全,不同人對顏色的識別是非常相近的。我們都會認同,血液、草莓都是紅色,給人熾烈、警覺的紅色;天空、海水都是藍色,讓人安心、澄凈的藍色等等。

需要承認,即使正常人眼因為有同樣的視蛋白,導致人眼的視錐細胞的感光響應相同外,人腦最終的顏色知覺(color perception)可能還是會略有差別。對同一幅桔黃色的圖,一個人可能認為更偏桔色些,另一個可能認為更偏黃色一些, 但這種偏差除了相關的生物化學結構可能略有不同外,同個體的主觀認知偏好也有聯系。

由于人眼進化出了三種錐狀細胞,能探測的所有顏色,可以表示成如下的顏色空間(CIE 1931 color space)

舉個例子,紅色和綠色的光可以復合成黃色,就是由于顏色是入射光和人眼的色覺響應共同作用的結果。紅光(~700nm)和綠光(~500nm)同時作用在人眼時,可以產生純黃光(~600nm)對人眼一樣的刺激,這兩種情況下,視網膜感光細胞輸給大腦的電信號,可以相同,人腦也就不能區分這到底是混合成的黃光,還是純黃光。

這并不是說,紅光+綠光就真的混合成黃光了。如果給你個光譜儀,你可以很輕松地分辨出這兩種情況,這兩種情況的物理本質還是完全不同的。只是人眼分不出而已。所謂的紅綠藍三基色的概念,也是由于人眼有三種錐狀細胞,而造成的。

但并不是所有生物都是三種錐狀細胞,有些鳥、魚、兩棲類、爬行類、昆蟲,甚至有些極個別的人類,有四種錐狀細胞。比如下圖 (Tetrachromacy)

這就意味著,跟正常人眼相比,它們/他們要么能看到更多的光譜范圍,比如紅外光在他們眼中是可見的,要么能更細致得區分可見光區內的顏色種類。跟他們相比,正常人眼,反而有某種色盲。

比較知名的有四色型色覺的人,比如澳大利亞畫家Concetta Antico。

Q&A

Q: 因為視錐細胞比例不同,所以你看到的紅與我看到的不是一樣的?

A: 不對。你我看到的是非常接近的紅色。三種視錐細胞比例不同,但是最后大腦是三個通道比較之后,才給出顏色判斷的。

Q: 我一直有疑問的是為什么顏料三原色是紅黃藍而光的三原色卻是紅綠藍呢?反射和發射出來的不都是光波嗎?

為何三基色不同呢?

A: 畫畫用的顏料三原色,是減法三原色, 指品紅、青色、和黃色。是因為顏料吸收部分光,剩下的反射進入人眼。光學中的三原色,是加法三原色,紅、綠、藍,是指不同波長的光,同時被人眼吸收后,呈現的顏色。

Q:歸一化處理是怎么做到的?既然人和動物對于同樣的電磁波能有不同色感,那人和人之間就沒有差異么?

A:人和人之間可以有差異,也就是文中的色盲或色弱。占7%的男性,和0.5%的女性。正常人眼的差異非常小。這是由于從負責感光的視蛋白到傳輸到視神經,再被大腦處理,這一路上的經歷了非常多而復雜的生物化學過程,而每一小步都非常相似, 所以一個理性的推論是人們看到的顏色非常接近。如果非要糾纏于“子非魚,安知魚之樂”這樣的不可知論,我也沒辦法。色覺說到底,和別的感覺一樣,是一個個人體驗的過程??茖W能證實神經傳輸過程中間的任何一步的生物化學過程相同,進而推出感覺應該相同,但還是不能完全證明最后的主觀色覺相同。

Q:短波偏藍紫(確切說是紫),長波偏紅,那么紅色和紫色之間的顏色,比如玫紅,在波長上是在哪邊呢?

A:對于可見光區的任何一個波長(頻率),都對應一個顏色。但是反過來不成立。不是每種顏色都可以找到對應的單色光的。

上文中給出的顏色空間的包絡線,(向左上凸起的黑色曲線,周圍有對應藍色數字表示波長)就是單色光可能的顏色。比如鈉黃光就包含單色性較高的589.0納米 and 589.6納米,兩條純黃光。

比如玫紅、棕色等顏色,不能用單一波長實現,是多種波長混合,一起對感光細胞刺激的結果。

紅色
顏色
細胞
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