人眼的颜色视觉特性

9.1.1　人眼的颜色视觉特性

人眼视觉是由于光刺激视网膜而引起的。如6.1.1小节所述，视网膜的感光层中分布的视杆（圆柱）细胞和视锥（圆锥）细胞，它们都能感受光刺激，但具体的感光性能不同。其中，视杆细胞对光亮度反应非常灵敏，可在10^－3～10^－1lx这样的暗视条件下检测亮度信息，产生黑白视觉，但完全不感色，不能辨别颜色与细节；视锥细胞主要分布于视网膜中央的黄斑部位和中央窝附近大约2°～3°的视角范围内，其特性是在明视条件下（10¹～10⁵lx）可检测颜色信息，给出细致的彩色图像，但在弱光下很不灵敏。因此，颜色视觉和分辨颜色的能力主要是由工作于明视条件下的圆锥细胞所产生。图9.1中的曲线是在明视条件下根据实验结果作出的、用不同波长单色光匹配一定亮度引起锥体视觉所需的相对辐射能量。该曲线即代表了明视条件下圆锥细胞的颜色视觉功能。显然，圆锥细胞对光谱的黄绿部位（555nm）最敏感；但当用来表示人眼看到等能光谱不同波长的相对亮度时，则其曲线应与图9.1中的曲线成倒数关系。图9.2即为CIE推荐的明视光谱光视效率曲线V（λ），它反映了人眼的平均相对光谱灵敏度，即等能光谱波长λ的单色辐射所引起的明亮感觉程度。

图9.1　圆锥细胞的颜色视觉功能

图9.2　明视光谱光视效率曲线

图9.3　视网膜上颜色感受区的分布

由于视网膜中心窝与边缘部位的圆锥细胞和视杆细胞分布情况不同，因而视网膜不同区域对颜色的感觉性能也不同。视网膜中心部分视觉主要是圆锥细胞起作用，而边缘视觉则主要是由视杆细胞起作用。因而具有正常颜色视觉的人，其视网膜中央能分辨各种颜色；由中央到边缘，随着圆锥细胞的减少和视杆细胞的增多，对颜色的分辨能力逐渐减弱，直到对颜色的感觉消失。在邻近中央区的外围（大约大于20°视场区域），首先丧失对红色、绿色的感觉，而保留黄、蓝的颜色感觉，故称为红绿盲区；在视网膜的更外围边缘（大约大于40°视场区域），对黄色、蓝色的颜色感觉也丧失，成为全色盲区，该区只有明暗感觉而无颜色感觉。总之，人眼正常颜色视觉的视场大小，随颜色而不同。其中，白色视场的范围最大，黄、蓝色次之，红、绿色视场范围最小。图9.3以右眼为例，表示了人眼视网膜颜色视觉区域的分布情况。

颜色视觉正常者，在光亮条件下能看到可见光谱各种颜色的波长及光谱范围如表9.1所示。但应指出，除了572nm—黄色、503nm—绿色、478nm—蓝色三点的颜色基本不随光强度改变外，其它波长的颜色视觉与波长的关系，均随光强度的变化而变化。总的规律是，当光强度增加时，各种颜色均略向红色或蓝色变化。这种颜色随光强度变化、即在色品保持不变而色刺激的亮度变化（在明视觉范围内）而引起色调变化的现象叫做贝楚德—朴尔克效应。

表9.1　正常人眼可见不同颜色的波长及光谱范围

人眼能分辨由于波长微小改变而引起的最小颜色感觉变化的能力，叫做“色度微差阈”或称“色差灵敏度”。设微差阈为Δλ，则可以有条件地认为：所有波长在λ到λ±Δλ之间的单色辐射具有同一颜色，因为眼睛不能区别在此Δλ范围内的色度差别。色度微差阈值是随波长位置而不同的，图9.4给出了1934年根据五个色感正常观察者的实验平均值做出的色度微差阈值曲线。其中，当波长小于430nm或大于650nm时，眼睛不能感到色差别；而在440～640nm之间，波长改变1.2～4nm就会感觉到色度改变。色度微差阈的三个极小值约在445、490和590nm处；两个极大值在453和525nm处。另外，眼在590nm附近（黄橙色光）的色度变化敏感度最高。在整个可见光谱范围内，人眼可分辨的颜色一般在128种到150种，有的可达200种。

图9.4　色度微差阈值曲线

由于视觉系统内部色觉机理的复杂性，近一个多世纪，人们曾做过大量实验进行探讨并提出了多种假说，试图从理论上解释眼睛颜色视觉的机制。由于视觉是感觉，并非物理量，因而实际测定的是与感觉有关的物理量，即以光信号为输入，以接受光刺激的人眼的判断作为输出，分析两者间的相互关系，以阐明视觉机制。这种研究方法和手段称为心理物理学。近代具有重要影响的色觉理论和学说主要有：杨—亥姆霍尔兹的“色觉三原色学说”；赫林的“颉颃色理论”，又称“对立色学说”或“四色学说”；米莱尔、埃达莫斯等人的颜色视觉“阶段学说”。应该说，处于对立地位的前两种理论各有其正确方面，都能解释大量现象；但是也都存在着各自不能解释的现象和矛盾；“阶段学说”则用颜色视觉阶段论的分析方法把两者巧妙地结合起来，因而更接近于实际的色觉机制，并能解释前两种理论单独不能解释的一些现象。以下简单介绍具有重要实用意义并为神经生理学实验证实、基本符合视网膜生理结构的杨—亥姆霍尔兹的“色觉三原色学说”。这种理论是根据红、绿、蓝三原色以适当比例混合可以产生各种色调及灰色的规律，认为在视网膜上存在着三种色觉的圆锥细胞，它们各有自己独特的光谱灵敏度和灵敏范围，可分别对红、绿、蓝三种原色作出响应，每种圆锥细胞的响应曲线具有一定的波长范围，其峰值分别位于红、绿、蓝光谱区域，三种响应曲线互相重叠。当给定某种颜色刺激时，三种圆锥细胞分别产生兴奋，其各自兴奋的程度与规律随给定的颜色刺激而不同，由此产生的三种视觉信号经过视神经传递到大脑，大脑将三种视觉信号综合在一起，并产生一个综合的色视觉，这就是人眼感觉到的某种色光的颜色。三种圆锥细胞对红、绿、蓝光的光敏曲线及其合成的光谱光视效率曲线V（λ）如图9.5所示（图中蓝色曲线辐度放大20倍）。例如，一束紫光射入人眼，只能使对红光和蓝光敏感的圆锥细胞产生刺激，从而产生紫色视觉；而黄光射入人眼，则只对感红光和绿光的圆锥细胞产生刺激，从而产生黄色视觉。总之，不同色光对三种圆锥细胞各自的刺激程度是不同的，因而所产生的颜色视觉也不同。三种圆锥细胞所受刺激的比例给人以颜色感觉；所受光刺激的总量给人以亮度感觉。这就是人眼能感觉并分辨各种颜色的基本原理。对于组成一个彩色景物的成千上万个“像元”，这种颜色视觉作用是连续发生的。三原色学说的最大优点是能充分说明各种颜色的混合现象，使颜色科学中“颜色混合”这一核心理论得到了满意的解释。色觉三原色学说体现了色度学中光谱三刺激值的思想，给复杂的颜色感觉提供了定量的分析计算方法，从而奠定了近代色度学的基础，并有效地指导了现实生活中颜色技术的实践。但是，还应指出，色觉三原色学说只是一种近似的理论，也是有其局限性的；而对视网膜与视神经传输通道的研究又表明，视神经传导通路中的视觉信息是基于四色机理的，因而也存在部分支持四色学说解释的现象。

9.5　三种圆锥细胞的光敏曲线及其合成的V（λ）曲线