3.1. 颜色的物理与感知#

3.1.1. 颜色的物理#

颜色（color） 是一种光的视觉效应。颜色视觉（简称“色觉”）是视觉感知的一部分，是一种用来区分由不同波长的光波组成的光的能力，在感知器官中发挥着重要作用。光是一种电磁波，我们可以按照光的波长（或者频率）对光进行展开分类，如图 3.2 所示。其中，波长大致在380-750纳米范围的电磁波称为可见光（visible light），可以被人眼所观察到，在整个电磁波谱上只占非常窄的一部分。

../../_images/visible_light.png — 图 3.2 可见光在整个电磁波频谱上的位置#

单一波长的光在自然界中比较少见，可以由激光（laser）发射器产生。自然界中出现的光一般是不同频率的光的叠加，其中各个频率成分的强度比例不同就会混合出不同的颜色。在数学上可以用 \(I(\lambda)\) 表示对应波长的强度。

3.1.2. 颜色的感知#

光在进入人眼之后，会被视网膜上的两种细胞捕获：视锥细胞（cone cells）和视杆细胞（rod cells），如图 3.3 所示。视锥细胞分布在视网膜的中央，每个视网膜大概有 700 万个，它对光的波长敏感。视杆细胞分散分布在视网膜上，每个视网膜上约有 1 亿个，不区分光线波长，对光线的强度更为敏感。也就是说，视锥细胞负责感知颜色，视杆细胞负责感知强度。

../../_images/photoreceptors.webp — 图 3.3 视锥细胞与视杆细胞[1]#

视锥细胞按照其所敏感的光的波长可以分为三种：长、中、短，分别对红、绿、蓝三种光敏感，如图 3.4 展示了三种视锥细胞对可见光的响应程度。当一种频率的色光被视锥细胞捕获时，我们的大脑就能根据三种细胞响应强度的不同合成出颜色的感知。

../../_images/cone-spec.svg — 图 3.4 三种视锥细胞对可见光的响应分布[2]#

3.1.3. 颜色的混合#

光可以混合，那人眼看到的颜色如何随混合变化？这个规律由赫尔曼·格拉斯曼（Hermann Grassmann）总结得到[3]，简单来说，他说明了人类对色彩的感知（大约）是线性的。如果用数学公式来描述格拉斯曼定律，对于某一种强度分布\(I(\lambda)\)的色光，我们可以给出对应的红、绿、蓝（red, green, blue, RGB）座标：

(3.1)#\[\begin{split} R = \int_0^\infty I(\lambda) \bar{r}(\lambda) d\lambda \\ G = \int_0^\infty I(\lambda) \bar{g}(\lambda) d\lambda \\ B = \int_0^\infty I(\lambda) \bar{b}(\lambda) d\lambda \end{split}\]

其中 \(\bar{r}(\lambda)\)， \(\bar{g}(\lambda)\)，\(\bar{b}(\lambda)\) 分别对应三种视锥细胞对不同波长的相应强度，展示在图 3.4 中。坐标 \((R, G, B)\) 也可以称为三原色坐标，与 \(I(\lambda)\) 满足线性关系。格拉斯曼指出，人眼能分辨的颜色只与色觉细胞的刺激有关，也就是三原色坐标 \((R, G, B)\)，而与色光究竟是单色光，还是按某种强度混合的混色光无关。只要在这样的假设下，如果有两束色光，坐标为 \((R_1, G_1, B_1)\) 和 \((R_2, G_2, B_2)\)，当此二光束合并时，观测者感知的三原色数值就应该为 \((R_1 + R_2, G_1 + G_2, B_1 + B_2)\)。正是出于这样的原因，RGB坐标成为颜色表达的最经典的方式，这也是我们下一节讨论颜色离散表达的基础。