颜色是怎么被人眼感知的？颜色视觉形成理论有哪些？

颜色是自然界物质的最主要的客观属性之一，它是光作用于人眼所产生的一种视觉上的反应，没有光就没有颜色。颜色视觉形成需要四个环节，包括：光、物体、眼睛和大脑。那么，颜色是怎么被人眼感知的？颜色视觉形成理论有哪些？本文为大家做了介绍，感兴趣的朋友不妨了解一下！

颜色是怎么被人眼感知的？

可见光，通过人眼将其吸收，产生颜色感知。以下两个因素会造成颜色感知的不同：不同人眼具备不一样的观察特点，以及物体本身发射的辐射会引发不同的视觉感官反应。

人眼的基本结构（如上图所示）包含了角膜、虹膜、瞳孔、晶状体、玻璃体、视网膜等。视觉正常者眼球中有3种锥体细胞和1种杆状细胞。锥状细胞主要位于视网膜（Retina）的黄斑（Fovea），3种锥体（Cone）细胞分别感应短波（蓝）、中波（绿）和长波（红）部分，对应于 400nm-700nm 可见光谱范围，主要负责光亮条件下的颜色和细节感知，即明视觉，其细胞个数分布比例大致为1：16：32，这也是蓝光人眼感知亮度较低的原因之一；杆状（Rod）细胞仅在低亮度条件下感应亮度信息，对于颜色和细节无法清晰分别，故为暗视觉；中间视觉处于两者之中，是目前研究的热点，因为锥状细胞和杆状细胞同时起作用，一般该亮度范围为0.001-5cd/m2；中间视觉的研究对于路灯设计、户外照明等均具有重要的指导作用。而色彩工业中所述的色彩感知和色彩判断通常指的是明视觉条件下，也就是说主要是三类锥体细胞起的作用。

颜色视觉形成理论：

颜色视觉形成需要四个环节，包括：光、物体、眼睛和大脑。所有环节都不可或缺，否则颜色视觉无法形成；而且其中有一个环节发生变化，比如更换了光源，或者不同人来观察，都会产生不同的颜色视觉。

颜色视觉形成理论主要有两种——杨-亥姆霍兹（Young-Helmholtz）的三色学说和赫林（Hering）的对抗学说。随着色度学的发展，上述两种理论逐渐走向同一个方向，从而形成了一个新的理论——阶段学说（stage theory）。

1.三色学说

1807年，Young提出假设：利用蓝、绿、红三种原色，按照不同的比例进行混合，可以得到任意颜色。1862年，在该假设之上 Helmholtz提出了一种颜色视觉形成理论一一假设视网膜上存在三种不同的接收器，能够分别感受蓝、绿、红色的光，通过不同比例的响应量，合成最终的颜色。当接收器接收到光时，产生化学变化，引发神经的兴奋；而且，每种接收器只对特定颜色的光反应强烈。比如对于蓝光敏感的感受器，当蓝色光照射过来，就会产生较强的变化；而当绿色或者红色光照射过来，只会产生较弱的变化。

2.对抗学说

1864年，Hering发现使用三对颜色（黄与蓝、红与绿、黑与白），可以解释许多颜色现象；因此他提出以下假设：假设视网膜中有三种接收器，分别响应黄与蓝、红与绿、黑与白，这几种接收器相互作用，组成各种颜色感知。

三种接收器有两种功能，分别为正向作用和负向作用。有光就会刺激黑和白接收器，触发反向作用，引起神经冲动，产生白色感觉；没有光时黑和白接收器触发正向作用，引起神经冲动，产生黑色感觉。对于红和绿接收器来说，红光触发反向作用，绿光触发正向作用。对于黄和蓝接收器来说，黄光触发反向作用，蓝光触发正向作用。

3.阶段学说

三色学说和对抗学说分别能解释一部分的颜色现象，却对另外一部分的颜色现象无法解释。很长一段时间，两种学说相互对立，较强的实用性曾经让三色学说拥有更多的拥趸者。实际上，每一种学说都只是从某个方面来看待问题，应该将两种学说结合起来，从而可以得到更为整体的颜色视觉形成理论。阶段学说将颜色接收器的三色响应和其后的对抗响应组合起来，从而提出了一个更为成熟的颜色视觉形成模型。

第一阶段，杆体细胞对亮度进行响应和椎体细胞对蓝、绿、红的颜色响应。第二阶段是把第一阶段的三种锥体细胞的刺激进行重新编码，并向大脑皮层传导。一共有以下两种编码方式：通过红、绿椎体细胞响应对应的颜色，形成与其强度所对应的红、绿信号；通过红、绿椎体细胞响应对应的颜色，并将其按照一定比例进行叠加，形成对应的黄、绿信号。

颜色色度学的发展：

有上面可知，通过光照射物体，形成的反射被人眼吸收，产生相应的刺激，最终得到颜色感知。在此基础上，需要将人眼所观察得到的颜色感觉数字化。在三原色光混合理论的基础上，国际照明委员会（CIE）进行了长期的研究和探讨，色度学系统不断地发展和完善：1931年，从颜色匹配实验为基础，提出了C1E1931标准色度系统。1964年，为了提高观察者的视场范围，斯底尔斯（Stiles）和勃须（Burch）以及斯派兰斯卡耶（Speranskaya）将原来1°-4°的视场范围，提高到10°的视场范围，进行了两项实验，提出了CIE1964标准色度系统。虽然CIE标准色度系统解决了如何数字化地描述，并且计算颜色的问题，但它的色度空间在各个色区中，对于颜色的感知能力有很大的差别，即使是空间距离相同，在色品图上表现的也是不同的。为了解决这个问题，CIE1964均匀颜色空间和CIE1976均匀颜色空间相继出现。

在颜色色度学的发展过程中，颜色匹配也随之发展。颜色匹配实验，即是通过一定的方法，调节出两种颜色，且这两种颜色在观察者的眼中，是相同的。常用的颜色匹配方法有两种：色光匹配、转盘匹配。

如下图所示，为色光匹配的实验装置。一块白屏中间由一个黑色分界屏隔开，三个光源分别投射红、绿、蓝颜色的光到白屏的右侧，待颜色匹配的光源投射到白屏的左侧，人眼通过小孔观察白屏反射回来的光。通过调节右侧的三个光源的强度，可以改变其混合之后的颜色——直到黑色分界屏两侧的视场展现出同样的颜色，说明匹配成功。

如下图所示，为转盘匹配装置。转盘上分为四个区域，分别为蓝、绿、红和黑色，设置好四种颜色扇形的面积。在转盘的中心为一个待匹配颜色（C）的圆片，通过旋转转盘，由于余晖效应即视觉暂留的存在，在观察者的视网膜上合成的是四种扇形混合后的颜色。通过调整四个扇形面积的大小，直到合成的颜色与待匹配颜色相同，说明匹配成功。

第二种方法比第一种更为简单，但是精度也更低。两种方法都遵循了格拉斯曼颜色混合定律，只不过第一种是在观察者的眼睛外部进行混合，而第二种则是在观察者的视网膜成像后进行的混合。

由以上介绍的颜色匹配实验可知，基本任意颜色，都可以通过蓝、绿、红三种颜色根据一定的比例相加得到。将其用以下公式表示：

其中，C表示任意一种颜色，b'、g'和r'分别表示蓝色、绿色和红色所需要的刺激量，又称三刺激值。

若令b=b'/b'+g'+r'，g=g'/b'+g'+r'，r=r'/b'+g'+r'，则上式变为：

其中，b、g、r称作颜色C的色品坐标。假设c'=b'+ g'+r'，则1（C）= b（B）+ g（G）+r（R），可得b+g+r=1。选取其中两个色品坐标，比如g和r，由此可以得到一个直角坐标系。如果将所有颜色的色品坐标连接起来，将其形成的曲线叫做色品图。