顏色視覺陳如利

天津職業(yè)大學眼視光工程學院陳如利顏色視覺

目錄

一、顏色視覺現(xiàn)象二、顏色系統(tǒng)和顏色視覺理論三、影響顏色視覺的因素和色覺異常1.自然界中與顏色相關(guān)的現(xiàn)象？

2.為什么看到天空是藍色的？傍晚又是紅色的？

3.什么是顏色視覺？

第一節(jié)

顏色視覺

一束白光經(jīng)過棱鏡色散出七色彩帶，這是我們在中學課本上就已經(jīng)了解到的。生活中很多人都見到過彩虹，那也是白光色散而成的。太陽光經(jīng)水珠折射后發(fā)生色散現(xiàn)象，分解為七種色光。自然光通過三棱鏡分光顏色視覺：是視覺系統(tǒng)的基本功能之一，反映了視覺系統(tǒng)分辨光的不同波長特性的能力。什么范圍波長的光可被人眼發(fā)覺并產(chǎn)生顏色？可見光是電磁波的一部分它只有波長的差別，而沒有顏色的差別顏色波長(nm)范圍(nm)顏色波長(nm)范圍(nm)紅700649-750綠510480-550橙620600-640藍470450-480黃580550-600紫420400-450可見光譜420nm470nm510nm580nm620nm700nm1.顏色是怎么產(chǎn)生的？

2.世界上的物體本身就有顏色嗎？

3.顏色的概念？

4.顏色的分類和屬性？

顏色的概念：不同波長（380-760nm）的可見光引起的一種主觀感覺，是觀察者的一種視覺經(jīng)驗。光和物體本身沒有顏色，物體只是發(fā)出或反射不同波長組合的光線。顏色的感知是大腦神經(jīng)元對光的物理參數(shù)的一種復(fù)雜抽象，完全是一種認知學現(xiàn)象。顏色是一種以波長為基礎(chǔ)的主觀視覺經(jīng)驗。產(chǎn)生顏色視覺（色覺）的四大要素

光源

物體眼睛大腦1.不同波長的光給同一觀察者的顏色知覺相同嗎？2.同一波長的光給不同觀察者的顏色知覺是否一樣？

顏色是一種作用于人眼視覺的物理刺激，被大腦視覺中樞感知后形成的一種心理反應(yīng)。色彩感覺不僅與物體本來的顏色特性有關(guān)，而且還受時間、空間、外表狀態(tài)以及該物體周圍環(huán)境的影響。同時還受個人的經(jīng)歷、記憶力、看法和視覺靈敏度等各種因素的影響。人眼能夠分辨1200多種顏色，這是基于眼細胞的光敏特性?？梢姽獾拇嬖谑谷藗兛梢钥吹竭@豐富多彩的世界，然而其在電磁波段的范圍僅為380-760nm這段很窄的部分?？梢酝葡朐谡麄€未知的宇宙中也許存在著一些更高級的物種（甚至外星人），他們看到的世界是一個更加絢麗多彩、包含更多信息的世界。一、非彩色黑深灰中灰淺灰白白色、黑色和各種深淺不同的灰色，又稱黑白系列。

顏色的分類和屬性

黑白系列—由白色漸漸到淺灰，再到中灰，再到深灰，直到黑色。純白是理想的完全反射的物體，其光反射率等于1。純黑是理想的無反射的物體，其光反射率等于0。愈接近白色，明度愈高，反之，愈接近黑色，明度愈低。二、彩色彩色是指黑白系列以外的各種顏色我們通常所說的顏色是指彩色顏色的屬性主觀視覺經(jīng)驗—心理顏色國際上規(guī)定了鑒別心理顏色的三個特征量：

色調(diào)、飽和度、明度對應(yīng)色度學上顏色的三變量：波長、純度、亮度（一）色調(diào)色調(diào)由物體表面反射到視神經(jīng)的色光來確定,是彩色彼此相互區(qū)分的特性，是色彩最重要、最基本的特征。色調(diào)人眼辨別色調(diào)的能力非常精細，隨著波長的不同而有明顯差別。黃色（580nm）和青色（490nm）之間最敏銳（1nm波長）紅色和紫色最遲鈍380nm420nm470nm510nm580nm620nm700nm780nm

暖色：紅、橙、黃等色調(diào)及黑色冷色：藍、青、紫等色調(diào)及白色暖色系中冷暖是相對的冷色系中冷暖也是相對的偏冷偏暖偏冷偏暖偏冷偏暖偏冷偏暖偏冷偏暖飽和度主要決定于物體表面對反射光譜輻射的選擇性。表面反射的選擇性越高，反射光譜越窄，顏色的飽和度越高（色光越純）。指彩色的純潔性或鮮艷程度,亦稱為彩度?？梢姽庾V中的各種單色光是最飽和的彩色光譜色中摻入的白光成分愈多，就愈不飽和彩色相/非彩色（白色），比值越高，則飽和度越大（二）飽和度（顏色的純度，即深淺）黃色附近最亮，紅紫兩端最暗同一色調(diào)也有明亮度的差別，如粉紅較亮，紫紅較暗顏色中摻入白色則亮，摻入黑色則暗明度與物體表面的光反射率及照明的強度成正相關(guān)（三）明度（顏色的明暗）彩度相同，明度下降明度明度與物體表面的光反射率及照明的強度成正相關(guān)，但往往受視覺感受性和過去經(jīng)驗的影響。顏色混合任何顏色都可由三種原色按一定比例混合得到最優(yōu)三原色：紅、綠、藍色光三原色原色—色彩的基本色，是能混合任何色彩的母色即用原色可以混合產(chǎn)生出不同色調(diào)、不同飽和度、不同明度的任何色彩。色光三原色紅、綠、藍色光三原色：紅、綠、藍顏色混合三定律（一）補色律兩種顏色光混合后產(chǎn)生白色或灰色，這兩種色光互為補色。以圓心為對稱中心的任何兩種顏色都是互補色。一對互補色按各比例混合時，可產(chǎn)生的顏色是連接互補色直線上的白色和各種飽和度的灰色。（二）中間色律任何兩個非補色相混合，將產(chǎn)生介于兩種光譜之間的中間色?；旌仙奈恢萌Q于兩種顏色成分的比例，位置靠近比重大的顏色。中間色的飽和度取決于兩種顏色在顏色環(huán)上的距離，相距越近，飽和度越大，反之飽和度越小。（三）代替律外觀相似的顏色混合后仍相似若：色A=色C，色B=色D；則：色A+色B=色C+色D。顏色匹配：混合色與標準色看起來一樣的實驗。外觀主觀感覺一樣，但各自的光譜組成可能相差很大——同色異譜亮度相加定律：混合光的總亮度等于各組成色光亮度的總和。顏色拮抗概念：四種心理基本色紅-綠、藍-黃中，兩種顏色不能共存的現(xiàn)象。人不能同時感覺到紅色和綠色即紅綠色是不存在的，紅色和綠色互為拮抗色。

第二節(jié)顏色系統(tǒng)與理論

顏色系統(tǒng)由顏色三特性（色調(diào)、飽和度和明度）相互聯(lián)系構(gòu)成Newton色環(huán)（二維）——顏色混和規(guī)律三維立體橄欖色圖CIE色度圖Newton色環(huán)將短波末端（紫末端）與長波末端（紅末端）銜接起來，并加上紫紅色，得到環(huán)形的色譜環(huán)，色調(diào)沿著圓周按順序排列，白色位于圓心。——牛頓色環(huán)三維立體橄欖色圖（國際公認：Munsell顏色系統(tǒng)）將明度和飽和度考慮在內(nèi)，由二維轉(zhuǎn)變?yōu)槿S，明度位于通過圓心垂直于環(huán)平面的軸線上，從上到下，明度逐漸降低，從圓心到圓周飽和度逐漸升高。它將顏色分為：色調(diào)（Hue）、純度（Chroma）和明度（Value），共有15種色調(diào)，10個明度及若干飽和度等級，總共有一千多種顏色。CIE色度圖1931年國際照明委員會（CIE）制定了CIE-RGB色度圖，后來又推薦用新的CIE-XYZ系統(tǒng)。CIE色度圖是根據(jù)顏色匹配原理，它用匹配某一顏色的三原色的比例來規(guī)定一種顏色，而不僅僅根據(jù)顏色的表面現(xiàn)象來說明顏色混合現(xiàn)象。

X+Y+Z=1中央?yún)^(qū)C白光

顏色視覺理論

Young-Helmholtz（楊－赫姆霍爾茲）三色學說

紅、綠、藍三原色混合，可以產(chǎn)生各種色調(diào)的彩色以及不同程度灰黑白色。前提是這三種顏色中的任意一種不能由其他兩種混合而成。在人眼的視網(wǎng)膜上有三種感光神經(jīng)纖維（感“紅”、感“綠”和感“藍”神經(jīng)纖維），對應(yīng)L-視錐細胞、M-視錐細胞、S-視錐細胞。每種神經(jīng)纖維的興奮均能引起相應(yīng)原色的感覺，三種神經(jīng)纖維對不同波長光的照射所引起的興奮程度各自不同，所產(chǎn)生的混合色是三種神經(jīng)纖維按特定比例同時興奮的結(jié)果。 P39視網(wǎng)膜有：感紅細胞、感綠細胞、感藍細胞感藍細胞感綠細胞感紅細胞三色學說的優(yōu)缺點優(yōu)點：能夠解釋各種顏色的混合現(xiàn)象。缺點：不能解釋色盲現(xiàn)象。Hering（赫林對立）學說顏色現(xiàn)象總是以成對的關(guān)系發(fā)生：

黑—白、紅—綠、黃—藍

視網(wǎng)膜中存在著三對視素：

黑—白視素、紅—綠視素、黃—藍視素

互為分解-合成赫林學說的優(yōu)缺點優(yōu)點：能對部分混合色現(xiàn)象以及色盲現(xiàn)象作出較好地解釋缺點：無法解釋三原色能產(chǎn)生光譜中全部顏色的現(xiàn)象階段學說

第一階段（視網(wǎng)膜感受器）-三色學說

第二階段（傳導(dǎo)到中樞）-四色學說，依據(jù)經(jīng)驗處理

階段學說提出在視網(wǎng)膜的錐體感受水平是三色機制，而在視覺信息向腦皮層視區(qū)的傳導(dǎo)通路中變成四色機制。使得看似相反的三色學說和四色學說能夠融合起來。一、

眼睛的生理結(jié)構(gòu)視覺的生理基礎(chǔ)人眼略呈球體，直徑約24mm，眼球壁由內(nèi)外三層膜組成。

1.

外層外層前部的透明部分稱為角膜，占整個眼球表面的前1/6左右，起到保護眼球內(nèi)部和透光的作用。角膜的厚度約0.8～1.1mm，折射率為1.336，具有屈光的作用。外層后部約5/6的眼球表面是一層堅固的白色不透明膜，稱為鞏膜，鞏膜的厚度為0.4～1.1mm，起保護眼球的作用

。2.中間層中間層為血管膜，含有豐富的血管、神經(jīng)和色素細胞。包括三部分：（1）虹膜：控制進入眼球內(nèi)的光量（2）睫狀體：調(diào)節(jié)晶狀體的凸度（曲率）。（3）脈絡(luò)膜：吸收眼球內(nèi)的雜散光線，消除光線在眼球內(nèi)的漫反射。3.內(nèi)層內(nèi)層是視網(wǎng)膜，貼在脈絡(luò)膜的內(nèi)表面，為眼球壁的最內(nèi)層，是眼球的感光部分。

視網(wǎng)膜是一層透明的薄膜，厚度約0.1～0.5mm，其上分布著視覺感光細胞。

感光系統(tǒng)

人眼的感光系統(tǒng)由視網(wǎng)膜組成，是眼球壁的最內(nèi)層，相當于相機內(nèi)的感光片。視網(wǎng)膜上分布著視覺感光細胞（按細胞的形狀而命名為視錐細胞和視桿細胞），分布于眼球后極的中央部分。

桿體細胞感綠錐體細胞感紅錐體細胞感藍錐體細胞入射光沿圖中箭頭方向射入，到達感光細胞層；感光細胞層內(nèi)側(cè)是視神經(jīng)層，它由水平細胞、雙極細胞、無長突細胞、神經(jīng)節(jié)細胞等組成，由視神經(jīng)層處理來自感光細胞的信號。因此，入射光是通過透明的視神經(jīng)層后才到達感光細胞層的。

具有感光性能的視細胞（感光細胞）相當于照相膠片上具有感光性能的鹵化銀(AgCl、AgBr)微粒。感光細胞包括錐體細胞(cone)和桿體細胞(rod)兩種。它們所含的感光物質(zhì)不同，所以執(zhí)行的視覺功能也不同。錐體細胞和桿體細胞分別因其形狀為圓錐狀和棒狀而命名。錐體細胞的總數(shù)約為700萬個，桿體細胞的總數(shù)約有1億個。感光細胞的前端稱為外節(jié)，內(nèi)含感光物質(zhì)。在視網(wǎng)膜上，存在分別對紅、綠、藍光敏感的三種視錐細胞，其數(shù)量之比大約為32:16:1。視覺對色彩和光線數(shù)量的感覺功能

人對能量相同但波長不同的光線，所引起的顏色感覺是不同的。人眼在一定光照條件下對光線的感覺稱明視覺；而在黑暗條件下對光線的感覺稱暗視覺。二、視覺器官的兩重功能錐體視覺(photopicvision)：錐體細胞的感光靈敏度低在亮度為3cd/m2(坎德拉/平方米)以上的光亮條件下起作用能夠分辨顏色和物體的細節(jié)桿體視覺(scotopicvision)：桿體細胞感光靈敏度高只能在亮度為0.001cd/m2以下的黑暗條件下起作用僅能感知明暗，不能分辨顏色和物體的細節(jié)中間視覺或介視覺(mesopicvision)：亮度介于明視覺與暗視覺所對應(yīng)的亮度水平之間視網(wǎng)膜中的錐體細胞和桿體細胞同時起作用人眼是由高靈敏度的黑白膠片和中等靈敏度的彩色膠片組成視網(wǎng)膜上感光細胞分布：其中錐體細胞集中在視軸近旁。中心凹是直徑約為1.5mm的極小區(qū)域，這里錐體細胞的分布非常密集，約有10~15萬個，分辨能力最高；與此相反，桿體細胞在視軸近旁數(shù)量極少，而廣泛分布在此區(qū)以外的部分。視網(wǎng)膜的中心凹與邊緣部位，其錐體細胞和桿體細胞的分布不同。

中央視覺主要由錐體細胞起作用。

邊緣視覺主要由桿體細胞起作用。正常顏色視覺的人體視網(wǎng)膜中央能分辨各種顏色；由中央向邊緣過渡，錐體細胞減少，桿體細胞增多，對顏色的分辨能力逐漸減弱；最后對顏色的感覺消失。與中央?yún)^(qū)相鄰的外周區(qū)先喪失紅色綠色的感受性，再向外部，對黃藍色的感受性也喪失，成為全色盲區(qū)。人的正常色視野的大小隨顏色而不同，在同一光亮條件下，白色視野的范圍最大，其次為黃藍色，而紅綠色視野最小。顏色視覺的感知涉及心理、生理和物理等方面，因此影響顏色視覺的因素多種多樣，原理極其復(fù)雜。

下面列舉常見的一些視覺現(xiàn)象,來初步熟悉相關(guān)的影響因素。

第三節(jié)影響顏色視覺的因素和色覺異常

一、環(huán)境亮度不同照明條件下，光譜曲線會發(fā)生變化。在明視狀態(tài)下，光譜吸收峰在555nm;而在暗視狀態(tài)下，光譜吸收峰在507nm。

明視覺與暗視覺對光的感受性不在光譜的同一位置：明視覺對光譜的黃綠色部位（555nm）最敏感。暗視覺對光譜的藍綠色部位（507nm）最敏感。暗視覺對短波更敏感。明視狀態(tài)下等亮度的藍花和紅花，在暗視狀態(tài)下，藍花看起來較亮。二、Bezold-Brucke效應(yīng)光強度增加時，色調(diào)會發(fā)生細微改變，尤其是長波段的光。波長為478nm、503nm和578nm的光，不隨亮度增加而發(fā)生色覺變化，稱不變點。578nm503nm478nm三、顏色視野

顏色視野：與視網(wǎng)膜三種視錐細胞分布對應(yīng)與中央?yún)^(qū)相鄰的外周區(qū)先喪失紅綠色的感受性，再向外部，對黃藍色的感受性也喪失，成為全色盲區(qū)。人的正常色視野的大小隨顏色而不同。在同一光亮條件下，白色視野的范圍最大，其次為黃藍色，再次為紅綠色視野最小。四、注視時間過短或過長注視時間，感知都會下降，覺得顏色變淺?？赡艿慕忉專捍碳み^程過短，不足以引起色覺感知；若注視一種顏色過久，色覺系統(tǒng)會產(chǎn)生疲勞，對該顏色的分辨力漸漸下降。五、顏色的連續(xù)對比人眼對某一色調(diào)適應(yīng)后再觀察另一色調(diào)時，會發(fā)生變化，帶有適應(yīng)色調(diào)的補色成分。先后顏色對比是指視網(wǎng)膜受以前顏色刺激的影響而形成的顏色變化的現(xiàn)象。先看紅色，再看黃色，則黃色變?yōu)辄S綠色六、顏色的同時對比在視場中，相鄰區(qū)域的不同顏色相互影響稱顏色的同時對比。每一顏色都在其周圍誘導(dǎo)出其補色?；パa二色并列對比變化最明顯，尤其是在兩顏色的邊界。黑色顯得更黑，白色顯得更白七、色光相加混合和染料的相減混合色光的最佳三原色為紅、綠、藍，是相加混合顏料的最佳三原色為黃、青、紫，是相減混合?？偨Y(jié)環(huán)境亮度：暗視覺對短波更敏感Bezold-Brucke效應(yīng)：光強度增加，色調(diào)變化。不變點顏色視野：與視網(wǎng)膜三種視椎細胞分布對應(yīng)注視時間：過短或過長，感知