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三色视者与四色视者身后的理论基础:色彩原理

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理论上,常人的肉眼是三色视觉(Trichromacy),通过三种视锥细胞(也可以说感光色素)来生成蓝色、绿色和红色的波长。但是,肉眼的不足之

理论上,常人的肉眼是三色视觉(Trichromacy),通过三种视锥细胞(也可以说感光色素)来生成蓝色、绿色和红色的波长。但是,肉眼的不足之处是存在同色异谱色(metamers),也就是说尽管色彩看起来相同,但实际上是由不同光谱组成的。

视锥细胞与色彩识别

我们眼睛的视网膜视锥细胞是可以分辨入射光线颜色变化的。常人一般拥有三种类型的视锥细胞,每种类型的细胞能够识别出一种颜色——绿色、红色,或蓝色,因此我们这样的普通人也被称为“三色视者”。每种类型视细胞经过不同波长的光发生不同的连锁反应,引起视觉。三种视细胞被激活并往神经中枢(大脑)输送信息。大脑收集联合各种信号,并产生色觉,然后言语描述出来我们目及的是哪种颜色。

视锥细胞与色彩识别

S型视锥细胞对可见光谱中的短波长最为敏感。产生S型视锥细胞视蛋白的基因位于第7号染色体;M型和L型视锥细胞吸收中等长度和较长波长的光线。产生这两类视锥细胞视蛋白分子的基因位于X染色体上,且彼此相邻。数百万的视锥细胞紧密排列在视网膜内。

大多数的色盲患者和其他哺乳动物只有两种视锥细胞,他们被称为“双色视者”(几乎所有其它哺乳类动物,包括狗和新世界猴,都是双色视觉的 )。由于每个细胞可以区分同一颜色100种左右的色度,那么每多一种视锥细胞,我们能够分辨出的颜色数量也会成倍增加。因此,如果一个色盲患者可以看到大约10000种不同颜色,那常人则可以看到大约100万种。如果我们有着四种不同的视锥细胞会怎样呢?那我们就有可能看到上亿种颜色了——甚至你想都想不到的颜色。

  • 单色视觉系统Monochromats:海生哺乳动物一般是单色视觉系统。所以给海豚看电视单色的也就是黑白的就够了

  • 两色视觉系统Bichromats:几乎所有其它(排除人类)哺乳类动物,包括狗和新世界猴,都是双色视觉的。给猫狗看的电视两色就够了

  • 三色视觉Trichromacy:灵长类哺乳动物和人类的视觉系统一般是一样的,也是三色视觉。

  • 四色视觉Tetrachromats:有袋类和鸟类是。给袋鼠和鹦鹉看的电视需要四色才行.

四色学说的确立

四色学说又叫对立学说。早在1864年Hering就根据心理物理学的实验结果提出了颜色的对立机制理论,又叫四色理论。他的理论是根据以下的观察得出的:有些颜色看起来是单纯的,不是其他颜色的混合色,而另外一些颜色则看起来是由其他颜色混合得来的。一般人认为橙色是红和黄的混合色,紫色是红和蓝的混合色。而红、绿、蓝、黄则看起来是纯色,它们彼此不相似,也不像是其他颜色的混合色。因此,Hering认为才在红、绿、蓝、黄四种原色。

Hering理论的另一个根据是我们找不到一种看起来是偏绿的红或偏黄的蓝,即橙色以及绿蓝色。红和绿,以及黄和蓝的混合得不出其他颜色,只能得到灰色或白色。这就是,绿刺激可以抵消红刺激的作用;黄刺激可以抵消蓝刺激的作用。于是Hering假设在视网膜中有三对视素,白--黑视素、红--绿视素和黄--蓝视素,这三对视素的代谢作用给出四种颜色感觉和黑白感觉。没对视素的代谢作用包括分解和合成两种对立过程,光的刺激使白--黑视素分解,产色神经冲动引起白色感觉;无光刺激时,白--黑视素便重新合成黑色感觉,白灰色的物体度所有波长的光都产色分解反应。对红--绿视素来说,红光作用时,使红--绿视素分解引起红色感觉;绿光作用时使红--绿视素合成产生绿色感觉。对黄--蓝视素来说,黄光刺激使它分解于是产生黄色感觉;蓝光刺激使它合成于是产生蓝色感觉。因为各种颜色都有一定的明度,即含有白色的成分。所以,每一种颜色不仅影响其本身视素的活动,而且也影响白--黑视素的活动。

这些理论,我们可以联想到RGB/RGBA,CMY/CMYK。个人觉得这些为四色视打下铺垫。相关拓展阅读《水煮RGB与CMYK色彩模型—色彩与光学相关物理理论浅叙》、《色彩空间HSL/HSV/HSB理论,RGB与YUV如何转换》。

四色视概念及四色视者

在1948年,专注于色盲患者研究的荷兰科学家Henri Lucien de Vries首次提出了四色视的概念,他在检查色盲者时发现了一些有趣的现象。

色盲的男性只有两种正常的视锥细胞和一种对绿光和红光都不敏感的突变体,但与此同时,这个色盲男性的母亲和女儿却有三种正常的视锥细胞和一种突变体。这就表示他们都有四种视锥细胞,只不过只有三种正常工作而已。这在当时简直闻所未闻。

拥有两种正常类型的视锥细胞和一种突变类型细胞的男性受试者对颜色并不敏感,并没能分辨出应该区分的颜色(绿或红);而拥有三种正常类型视锥细胞和一种突变类型细胞的女性受试者同样也区分不出红和绿。即便这种色盲现象和女性所拥有的额外那种视锥细胞没什么直接的联系,那也能说明人类视网膜里是可以含有四种视锥细胞的

尽管这一发现意义重大,但在那之后就石沉大海了。

直到80年代末,剑桥大学的John Mollon教授开始寻找可能拥有四种视锥细胞的女性。一直到2007年,Mollon教授的前同事、纽卡斯尔大学神经系统科学家Gabriele Jordan决定采用一种稍微不同的测试方式来寻找拥有超级视觉的人类。

她找来了25位拥有第四种视锥细胞的女性,把她们关进小黑屋。接着让她们看着一个发光装置闪现出的三种彩色光圈。

对于普通的三色视者来说,看到的颜色都是一样的。但Jordan假设,一个真正的四色视者是能够分辨出不同的,因为额外多出的一种视锥细胞能让她们看到更多颜色。令人难以置信的是,一个代号为cDa29的女性(英国北部的医生)在每一次测试中都能区分出三种不同的彩色光圈

cDa29,是科学界中第一位被发现的四色视觉者。当然,这位医生决然不是四色视觉者们中仅存的一位。

四色设备

三色视者与四色视者的感光差异

先来看看一位正常的三色视觉者:

人眼感光与波长

受到590纳米波长光线刺激时,正常视锥细胞最终发出的信号,和遇到540纳米加上670纳米的混合光线时是一样的!大脑接收到相同的信号时无法区分两种光线,因此三色视觉者会将它们视为相同。

再来看看拥有变异M型视锥细胞的异常三色视觉者。比起正常的M型视锥细胞,他们的M型视锥细胞的光敏感度略接近于正常的L型视锥细胞。

拥有变异M型视锥细胞的异常三色视觉者感光示意图

请注意,三种视锥细胞对590纳米光线,以及540纳米加670纳米的混合光线产生的信号非常不同。这意味着异常三色视觉者的大脑能感知到两种光线的区别,因而能体会不同的颜色。

但是在色彩识别上,视锥细胞是必要的工具,但如果其中一个工具同另一个没有区别,大脑就会抛弃它,并继续沿用已经使用习惯的工具。在这个世界上,有数以百万计的女性拥有四种视锥细胞,但只有很少一部分中了“完美”变异的彩票,得以体验到四色视觉

人造四色视觉人体视觉感知增强设备

为了突破人类肉眼的「固有冗余」,来自威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员研发出了针对左右眼使用两种不同透射率镜片的设备,通过分离短波视锥的响应,有效引发了四色视觉(Tetrachromacy),也就是存在四种不同的眼锥细胞类型。

在戴上眼镜之后,佩戴者能够区分同色异谱色之间的差别,从而让佩戴者看到此前肉眼无法看到的新颜色。物理学家 Mikhail Kats 向 New Scientist 透露:「肉眼看起来完全相同的颜色,当你戴上眼镜之后就会发现两者是完全不同的颜色。」

但是,个人感觉这个东西和CT彩色成像系统 差不多。对普通人,没有什么卵用!

参考文章:

颜色视觉理论:三色学与四色学 https://blog.csdn.net/mapeng892020/article/details/40074733

寻找色觉女超人:能看到百倍色彩的她究竟在哪里?https://www.guokr.com/article/441352/





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