视觉与大脑 - 色彩的本质为何? (Seeing Color)
2017年7月25日更新,共4727字
本文摘要:有色彩视觉,才看得出右下方有一个掠食者,拥有色彩视觉,有助於辨别场景中的物体。


定义 (Definitions)

色彩 (Color)

受到光的频谱分布的激发所导致的知觉。
the set of perceptions elicited by the spectral distribution of light.

色彩物理上的量测
Physical measurement of color

光在各个波长的相对强度,以分光光度计量测而得。
the relative intensities of wavelengths in light measured with a spectrophotometer.

色彩精神物理上的量测
Psychophysical measurement of color

受测者说明见到的色彩,通常藉由比较的方式。
report of the color seen by a normal subject, typically made by comparison.

可见光和色彩 (Light and Color)


可见光 (light) 是电磁波频谱中 400 nm 到 700 nm 的部分。


牛顿 (Newton, 1642-1726) 发现白色是由各种颜色的频谱所组成。


事实上,所谓的白色,有不同种类的频谱组成,如太阳光、萤光灯、白炽光看起来都是白色,但频谱分布不同。色彩并不是物质的属性,我们看到色彩,是可见光打到物体反射到视网膜之後,视觉大脑所产生的。我们看到的色彩和可见光波长之间,并没有一对一 (one-to-one) 关系。

视网膜如何启动色彩视觉 (How the Retina Initiates Color Vision)


杨格 (Thomas Young, 1773-1829) 认为,至少要有两种不同特质的感光元件 (element),透过比较,才能够看到色彩。当时他并不晓得人眼有三种不同的感光细胞。


上图是三种不同的椎状细胞 (short, middle, long cones) 及杆状细胞 (rods) 的频谱敏感度 (spectral sensitivity)。杆状细胞能见到微弱的光,椎状细胞则能见到一般亮度。此频谱敏感度的图是由 George Wald 在 1960 年代所描绘。


当我们想要看清楚物体时,我们需要让眼睛朝向物体,使得从物体反射而来的光子落於中央窝。如此我们能够清晰地看到色彩,因为中央窝主要由椎状细胞所组成。越离开视线中央的地方,椎状细胞变得越来越稀疏,因此会越无法看清色彩。


上图左边是给定的色彩,藉由混和右边不同比例的长、中、短波长的可见光,可以混和出对人眼来说看起来和左边完全相同的色彩,这种测试称为比色法 (colorimetry)。藉由混和不同比例的长、中、短波长的可见光,可以创造出任何你想要的色彩。可见光的混色,是加法 (additive process);颜料的混色,是减法 (subtractive process)。


色彩三原色 (color trichromacy) 指的是人眼有三种不同的感光细胞,这些感光细胞对光的敏感度 (sensitivity) 的积分导致我们所见到的色彩。Ewald Hering (1834-1918) 发现了反色 (color opposites)。举例来说,蓝色和黄色是视觉上相反的色彩 (perceptual opposites);绿色和红色是视觉上相反的色彩。


接收区的神经细胞 (receptive feilds of neurons) 排列方式为中央围绕 (center surround)。可见光落到中央 (center) 时,神经细胞受到激发;可见光落到周围 (surround) 时,神经细胞受到抑制。视网膜有色彩相反细胞 (color opponent cells)。举例来说,L-M 型态,中央对绿色 (middle wavelength) 敏感,周围对红色 (long wavelength)敏感;S-(L+M) 型态,中央对黄色 (long wavelength + middle wavelength) 敏感,周围对蓝色 (short wavelength) 敏感。

为什麽人类拥有色彩视觉? (Why do we have color vision?)

生物上色彩视觉并不是必要的,很多动物没有色彩视觉,很多动物拥有和人类不同的色彩视觉。


以上图为例,拥有色彩视觉,才能够看出红色 H 状的部分。如果没有色彩视觉,亮度相同但色彩不同的部分,是无法辨别的。


以上图为例,有色彩视觉,才看得出右下方有一个掠食者。拥有色彩视觉,有助於辨别场景中的物体。

描述色彩知觉 (Describing Color Perception)

色调 (Hue)

我们见到的色彩
color we see

饱和度 (Saturation)

色调和灰色之间的差异程度
degree to which hue differs from neutral grey

亮度 (Lightness/Brightness)

可见光的强度
the intensity of a colored surface or source


上图是 peceptual color space 的一种常见的呈现方式。


上图是由上而下俯视 peceptual color space 中的一片 disc。我们看到四种主要的色调类别 (category): 绿、黄、红、蓝。如果把这个圈圈的色彩放在桌上,让人们根据最小差异的方式排列,最後会排出同样的圈圈状图形,此 circle 称之为 Newton color circle。其中很有趣也很重要的,有一块 tile 被视为独特的蓝 (see as uniquely blue),一块 tile 被视为独特的绿,一块 tile 被视为独特的黄,一块 tile 被视为独特的红。称之为独特,在於它们是纯粹的,并没有混和其他的色彩。每个人看到的独特的蓝、绿、黄、红,可能会有所差异,但每个人都会看到独特的蓝、绿、黄、红。


为什麽人会有四种色彩觉知 (color percepts)?可能的原因是,为了区分场景的不同区块,需要四种色彩 (这是经典的 four color map problem),如上图 B。而以上图 C 为例,只用了三种色彩,因此有些区块就无法被区分出来。

我们见到色彩的奇特方式 (The Strange Way We See Color)


上图左侧,物理世界中两个区块色彩相同,但视觉上色彩不同,这样的现象称之为色彩对比性 (color contrast)。
上图右侧,物理世界中两个区块色彩不同,但视觉上色彩相同,这样的现象称之为色彩恒常性 (color constancy)。
注意其中左右两侧整个场景完全相同,唯一不同的是标示的那两个 patches。


上图标示的四个区块,看起来是蓝色。


但如上图所示,实际上它们是灰色。


上图标示的七个区块,看起来是黄色。


但如上图所示,实际上它们是灰色。蓝色和黄色是相反色 (color opposites),在 Newton color circle 上彼此是相反的两端。

色彩对比性及色彩恒常性的可能原因 (An Empirical Answer)


面对 inverse problem,几百万年来人类的经验是什麽,使得我们可以 get around inverse problem,而得以顺利适应世界,存活下来。人类视觉处理的方式,不会是以整个影像来处理,因为要遇到两个完全一样的影像,可能性是极低的。而大脑必须重复见到相同的事物,才能够学习。因此比较可能的是人类视觉处理的基本单位是影像中的一小块区域 (patch)。


根据从数百万张人类会见到的自然界影像的分析,或许可以推测人类如何 get around inverse problem。


上图同样色彩的 patch,在不同的背景色之下,看起来色彩变得不同。

要点总结 (Summary of the Main Points)

色彩是我们为「人眼受到可见光不同的能量分布激发所得到的觉知」所赋予的名字。
Color is the name we give to perceptions elicited by different distributions of light energy.

色彩是视觉中很令人着迷的层面,但生物上并不是那麽重要。
It is fascinating aspect of vision, but not all that important biologically.

主要的挑战在於如何解释人类见到色彩的奇特方式,人类见到的色彩和物理世界的量测是有所差异的。
The main challenge is to explain the peculiar way we see color, which does not correspond to physical measurement.

答案可能在於人类处理 inverse problem 的方式。
The answer again seems to be a way of coping with the inverse problem.

延伸阅读

[Coursera] Organization of the Human Visual System - Seeing Color, by Dr. Dale Purves, M.D, Duke University.

(photo via Chronon6.97)


本文来源

http://murphymind.blogspot.tw/2016/09/seeing.color.html
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