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三色視者與四色視者身后的理論基礎:色彩原理

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理論上,常人的肉眼是三色視覺(Trichromacy),通過三種視錐細胞(也可以說感光色素)來生成藍色、綠色和紅色的波長。但是,肉眼的不足之

理論上,常人的肉眼是三色視覺(Trichromacy),通過三種視錐細胞(也可以說感光色素)來生成藍色、綠色和紅色的波長。但是,肉眼的不足之處是存在同色異譜色(metamers),也就是說盡管色彩看起來相同,但實際上是由不同光譜組成的。

視錐細胞與色彩識別

我們眼睛的視網膜視錐細胞是可以分辨入射光線顏色變化的。常人一般擁有三種類型的視錐細胞,每種類型的細胞能夠識別出一種顏色——綠色、紅色,或藍色,因此我們這樣的普通人也被稱為“三色視者”。每種類型視細胞經過不同波長的光發生不同的連鎖反應,引起視覺。三種視細胞被激活并往神經中樞(大腦)輸送信息。大腦收集聯合各種信號,并產生色覺,然后言語描述出來我們目及的是哪種顏色。

視錐細胞與色彩識別

S型視錐細胞對可見光譜中的短波長最為敏感。產生S型視錐細胞視蛋白的基因位于第7號染色體;M型和L型視錐細胞吸收中等長度和較長波長的光線。產生這兩類視錐細胞視蛋白分子的基因位于X染色體上,且彼此相鄰。數百萬的視錐細胞緊密排列在視網膜內。

大多數的色盲患者和其他哺乳動物只有兩種視錐細胞,他們被稱為“雙色視者”(幾乎所有其它哺乳類動物,包括狗和新世界猴,都是雙色視覺的 )。由于每個細胞可以區分同一顏色100種左右的色度,那么每多一種視錐細胞,我們能夠分辨出的顏色數量也會成倍增加。因此,如果一個色盲患者可以看到大約10000種不同顏色,那常人則可以看到大約100萬種。如果我們有著四種不同的視錐細胞會怎樣呢?那我們就有可能看到上億種顏色了——甚至你想都想不到的顏色。

  • 單色視覺系統Monochromats:海生哺乳動物一般是單色視覺系統。所以給海豚看電視單色的也就是黑白的就夠了

  • 兩色視覺系統Bichromats:幾乎所有其它(排除人類)哺乳類動物,包括狗和新世界猴,都是雙色視覺的。給貓狗看的電視兩色就夠了

  • 三色視覺Trichromacy:靈長類哺乳動物和人類的視覺系統一般是一樣的,也是三色視覺。

  • 四色視覺Tetrachromats:有袋類和鳥類是。給袋鼠和鸚鵡看的電視需要四色才行.

四色學說的確立

四色學說又叫對立學說。早在1864年Hering就根據心理物理學的實驗結果提出了顏色的對立機制理論,又叫四色理論。他的理論是根據以下的觀察得出的:有些顏色看起來是單純的,不是其他顏色的混合色,而另外一些顏色則看起來是由其他顏色混合得來的。一般人認為橙色是紅和黃的混合色,紫色是紅和藍的混合色。而紅、綠、藍、黃則看起來是純色,它們彼此不相似,也不像是其他顏色的混合色。因此,Hering認為才在紅、綠、藍、黃四種原色。

Hering理論的另一個根據是我們找不到一種看起來是偏綠的紅或偏黃的藍,即橙色以及綠藍色。紅和綠,以及黃和藍的混合得不出其他顏色,只能得到灰色或白色。這就是,綠刺激可以抵消紅刺激的作用;黃刺激可以抵消藍刺激的作用。于是Hering假設在視網膜中有三對視素,白--黑視素、紅--綠視素和黃--藍視素,這三對視素的代謝作用給出四種顏色感覺和黑白感覺。沒對視素的代謝作用包括分解和合成兩種對立過程,光的刺激使白--黑視素分解,產色神經沖動引起白色感覺;無光刺激時,白--黑視素便重新合成黑色感覺,白灰色的物體度所有波長的光都產色分解反應。對紅--綠視素來說,紅光作用時,使紅--綠視素分解引起紅色感覺;綠光作用時使紅--綠視素合成產生綠色感覺。對黃--藍視素來說,黃光刺激使它分解于是產生黃色感覺;藍光刺激使它合成于是產生藍色感覺。因為各種顏色都有一定的明度,即含有白色的成分。所以,每一種顏色不僅影響其本身視素的活動,而且也影響白--黑視素的活動。

這些理論,我們可以聯想到RGB/RGBA,CMY/CMYK。個人覺得這些為四色視打下鋪墊。相關拓展閱讀《水煮RGB與CMYK色彩模型—色彩與光學相關物理理論淺敘》、《色彩空間HSL/HSV/HSB理論,RGB與YUV如何轉換》。

四色視概念及四色視者

在1948年,專注于色盲患者研究的荷蘭科學家Henri Lucien de Vries首次提出了四色視的概念,他在檢查色盲者時發現了一些有趣的現象。

色盲的男性只有兩種正常的視錐細胞和一種對綠光和紅光都不敏感的突變體,但與此同時,這個色盲男性的母親和女兒卻有三種正常的視錐細胞和一種突變體。這就表示他們都有四種視錐細胞,只不過只有三種正常工作而已。這在當時簡直聞所未聞。

擁有兩種正常類型的視錐細胞和一種突變類型細胞的男性受試者對顏色并不敏感,并沒能分辨出應該區分的顏色(綠或紅);而擁有三種正常類型視錐細胞和一種突變類型細胞的女性受試者同樣也區分不出紅和綠。即便這種色盲現象和女性所擁有的額外那種視錐細胞沒什么直接的聯系,那也能說明人類視網膜里是可以含有四種視錐細胞的

盡管這一發現意義重大,但在那之后就石沉大海了。

直到80年代末,劍橋大學的John Mollon教授開始尋找可能擁有四種視錐細胞的女性。一直到2007年,Mollon教授的前同事、紐卡斯爾大學神經系統科學家Gabriele Jordan決定采用一種稍微不同的測試方式來尋找擁有超級視覺的人類。

她找來了25位擁有第四種視錐細胞的女性,把她們關進小黑屋。接著讓她們看著一個發光裝置閃現出的三種彩色光圈。

對于普通的三色視者來說,看到的顏色都是一樣的。但Jordan假設,一個真正的四色視者是能夠分辨出不同的,因為額外多出的一種視錐細胞能讓她們看到更多顏色。令人難以置信的是,一個代號為cDa29的女性(英國北部的醫生)在每一次測試中都能區分出三種不同的彩色光圈

cDa29,是科學界中第一位被發現的四色視覺者。當然,這位醫生決然不是四色視覺者們中僅存的一位。

四色設備

三色視者與四色視者的感光差異

先來看看一位正常的三色視覺者:

人眼感光與波長

受到590納米波長光線刺激時,正常視錐細胞最終發出的信號,和遇到540納米加上670納米的混合光線時是一樣的!大腦接收到相同的信號時無法區分兩種光線,因此三色視覺者會將它們視為相同。

再來看看擁有變異M型視錐細胞的異常三色視覺者。比起正常的M型視錐細胞,他們的M型視錐細胞的光敏感度略接近于正常的L型視錐細胞。

擁有變異M型視錐細胞的異常三色視覺者感光示意圖

請注意,三種視錐細胞對590納米光線,以及540納米加670納米的混合光線產生的信號非常不同。這意味著異常三色視覺者的大腦能感知到兩種光線的區別,因而能體會不同的顏色。

但是在色彩識別上,視錐細胞是必要的工具,但如果其中一個工具同另一個沒有區別,大腦就會拋棄它,并繼續沿用已經使用習慣的工具。在這個世界上,有數以百萬計的女性擁有四種視錐細胞,但只有很少一部分中了“完美”變異的彩票,得以體驗到四色視覺

人造四色視覺人體視覺感知增強設備

為了突破人類肉眼的「固有冗余」,來自威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員研發出了針對左右眼使用兩種不同透射率鏡片的設備,通過分離短波視錐的響應,有效引發了四色視覺(Tetrachromacy),也就是存在四種不同的眼錐細胞類型。

在戴上眼鏡之后,佩戴者能夠區分同色異譜色之間的差別,從而讓佩戴者看到此前肉眼無法看到的新顏色。物理學家 Mikhail Kats 向 New Scientist 透露:「肉眼看起來完全相同的顏色,當你戴上眼鏡之后就會發現兩者是完全不同的顏色。」

但是,個人感覺這個東西和CT彩色成像系統 差不多。對普通人,沒有什么卵用!

參考文章:

顏色視覺理論:三色學與四色學 https://blog.csdn.net/mapeng892020/article/details/40074733

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





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