第一章 我们为什么能感觉到颜色？
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第一章 我们为什么能感觉到颜色？
1.1 颜色
人类都是视觉动物！我们每天都在谈论颜色！
“你的衣服颜色真漂亮,在哪里买的?”
“我觉得还是绿色更保护眼睛”
“你的显示器好暗”
“这个灯泡是不是有点太黄了?”
玄学警报
我们在看很多照片的时候，会产生一种德味儿、大师、毒! 的感觉。这种感觉我们统称为“玄学”。
这个系列中，我们尽可能的避免这种关于玄学的争论，将重点放在色彩科学本身上。
对于颜色是否“好看”、是否“优雅” ，请将所有的这些都归为脑内PS，因为最强的影响还是来自于我们自己的大脑和以往生活的认知。
1.2 色彩的旅程
到底我们是如何感觉到颜色的呢？
我们用一个简单的图示来表示颜色从出生到结束的整个旅程。
首先，需要一个光源。
光源发射出许许多多的光线。这些光线有些直接射入我们的眼镜，有些会撞到某些物体，然后再反射到我们的眼睛。
然后，当人眼接收到这些光线后，眼底的各种细胞产生了一系列精密的化学反应。
由此产生的化学信号通过神经传递到我们的大脑。
最终在我们的大脑内形成了对于颜色的感知。
光源
光源，Light Source，就是产生光的物体，也是色彩科学的开始。
简单来说，如果没有光，你是不可能在黑暗之中看出“色彩” 的。
光本身其实就是一种纯粹的物理现象，在光达到你的眼睛之前，它其实是没有“颜色” 的。这个时候光所拥有的属性仅仅是波长和能量分布。
波长
我们小时候都玩过把一个三角形的棱镜放到太阳光下面，然后光线透过棱镜之后，就会出现彩虹的条纹。
这其实就是利用棱镜将不同波长的光线区分开。
正常人类可以看到的波长范围是 380nm ~ 780nm，这个范围内的光线叫做可见光。
超过这个范围的光线叫做红外线和紫外线（当然，还有很多其他的光线）。
光线在宏观的尺度上表现的特性为波。
简单来说，你可以想象成湖面上泛起的波纹。
波长，就是指一个波的的长度，光线的波长单位一般是nm(纳米)。
波长越短，人眼感知的颜色就会越靠近紫色；反之波长越长，人眼感知的颜色就会约靠近红色。
其中 555nm 的波长就是我们说的绿色。
能量分布（功率谱分布）
说到这里，我再一次希望大家先忘掉“颜色”，只考虑光线其实就是不同波长的波纹。
就好像是你在湖里丢了一块石头，然后激起了某个波长的波纹；
然后你又丢进去第二块石头，产生了另外一个波长的波纹......
然后很多不同波长的波纹叠加在一起，就形成了最终的波形。
从上面的图中，可以认为是三种不同波长的波纹，叠加在一起，形成了最终的波形。
三合一，这个很简单，哪怕是有100种不同的波纹，也不过就是都加在一起，反正最后都会形成最终的某种样子。
现在问题来了，如果我直接给你一个最终的波纹形状，让你将它拆解成各种波长的组合......
天啊，反过来就非常难了！就好像让你计算 12 x 15 x 13，你总是可以计算出最后的结果，但是如果直接让你将2340拆解成三个整数的乘积......就非常难了。
别怕，人类还是非常聪明的！他们发明了一种叫做分光光度计的东西，能够完成这种波长的拆解工作，并且告诉你每种波长的光线的具体能量强度。
分光光度计的原理
分光光度计的原理，可以大体认为是有个棱镜，这个棱镜利用光学的物理特性，将不同波长的光线分开!然后在每种特定波长的位置，放一个探头，这个探头只会对这种波长的光线产生感应反应。
例子中假设有7个探头，分别对400、450、500...... 700nm 的波长进行测量，当然你也可以放很多的探头，甚至 1nm 就放一个。
每个探头接收的就是这种波长的能量：可以理解成单位时间内，有多少个这种波长的光子打到探头上。
最后将每个探头的读数写出来，这就是这种光的功率谱分布！
这个例子中的光线能量都集中在550nm 附近,所以认为这是个绿色的光线。
有了分光光度计，你就完成了两件非常重要的事情，也可以说是整个色彩科学的第一步：
- 将一种混合波长的光线，拆分成为各种单一波长光线的组合
- 能够测量每种单一波长光线的实际能量
有了它，我们终于可以不用按照语言、感受、猜测、对比来描述光线，而是通过每种光线中有多少种不同波长的光、每种波长的光的能量分别是多少来进行描述。
这样就脱离了任何主观的评判，形成了完全的客观、定量的描述，为后面所有的色彩科学奠定了基础。
1.3 光线的传播
光源产生了光线，然后光线在到达人眼之前会历经千辛万苦。
有的光线运气比较好，直接就到达了人眼，我们称之为直射光。
有的光线运气不好，会撞到其他的物体，然后反射的光线再进入人眼，我们称之为反射光。
有的光线会穿过某些半透明的物体，然后到达人眼，我们称之为透射光。
还有一部分光线运气太差了，在撞到了物体之后，还会继续撞到别的物体......
直射光比较容易理解，相当于光源的能量分布原封不动的传递到了人眼。（我们不考虑介质产生的影响）。
反射光和透射光就比较特殊了，光线每经过一次反射或者投射，都会对光线的功率谱分布产生一些影响。
从图中可以看出来，光源原始的功率谱分布是某种样子的，但是经过反射之后的功率谱分布发生了一些变化。
仔细看看浅色表示的部分，就是缺失的部分，这种缺失正好就是反射造成的。
缺失的部分可以理解成:
在500nm 和 600nm 波长附近的光线的能量变弱了。
是什么造成了这些光线能量变弱了？
没错，就是反射！反射物体吸收了这部分光的能量。
将功率谱分布进行差异比较，得到的差异部分就是反射物体的吸收功率谱分布。也就是这个物体对于入射光线能量的影响。
可以看出这个物体对于 500nm 和 600nm 附近的光线有能量的吸收，也就说这个物体可能会比较多的吸收绿色和黄色的光线。
1.4 人眼的特性
人眼是生物学上的杰作。一方面它非常的精巧，另一方面它又有一些明显的缺陷。
但是不管怎样，我们的眼睛现在就是这样，证明它已经足够满足现在人类生存需求。
如果要是展开来说人眼，那么多少篇幅都是不够用的，涉及到了解剖、生物、神经...... 太多的专业知识。
这里只是大体的来说明一些和色彩科学密不可分的特性。
可变分辨力
和数字设备不同，人眼的分辨力其实分区域的。
数字摄影机的最大分辨力是由 CCD 上感光原件之间的最小距离决定的。两个感光原件的距离越小，分辨力就越强。
人眼的分辨力是由视网膜上的细胞来决定的，如果两个感光细胞离的越近，那么分辨力就越强。不幸的是，感光细胞只有在视网膜黄斑的附近才会特别的密集，离黄斑越远，感光细胞的密度就越小。
这就造成了你真正能够看清东西的角度，其实也就是不到10°，不信你试试，你很难用余光来读文章！但是你依旧可以通过余光来感受光亮和物体的移动。
相对亮度感知
这个现象可以很简单的通过例子说明。
人眼对于亮度的感知不是绝对的，也不是线性的。
比方说，在完全黑暗的环境中，点亮一个灯泡。这时候你可能觉得是“这么亮”。然后同时点亮1000个这样的灯泡，你可能只是觉得10倍的“这么亮”。
再换个例子，我拿个很亮的探照灯晃你的眼睛，你可能觉得已经亮的睁不开眼了。但是让你看太阳，你也是觉得亮的睁不开眼。这个光源都是“非常亮”！但是其实两个光源的能量可能相差1000倍。
人眼的适应性
很多人说人眼是HDR 的，因为人眼既可以分辨出高光中云彩的不同层次，还可以分辨出阴影里面不同物体的区别。
这句话，其实丢掉了一个很重要的条件，那就是同时！
人眼的确可以区分高亮的细节，也可以区分暗部的细节，但是不能同时达到这两个条件...... 比如说你看着阳光明媚的天空的时候，其实不能分辨出楼道阴影里面的人。
奇怪的事情就在这个时候发生了，当你努力注视楼道的阴影一段时间后，你发现你就能够看清阴影中的不同物体了，这就是人眼的适应性。随着时间的推移，你发现你越来越可以清晰的分辨出阴影中的物体了。
你刚刚进入进入黑暗环境的时候，可以感知到 的亮度,但是随着时间的推移，10分钟之后你就可以感觉出 。然后随着时间继续的推移，50分钟过后你甚至可以分辨出 的亮度！相当于在50分钟内，你看到了刚开始时候千分之一的亮度。
人眼接受光线
前面说到的人眼特性，对于色彩科学来说都是一件不好的事情。为什么？因为太不确定了！你想想，我们好不容易可以完全客观的测量出光线的“数值”，结果人眼又会变来变去，分辨力会变、亮度的感知也不是绝对线性的、甚至能力还会随着时间而变化...... 这就是完全无法客观描述的节奏啊！
但是人类还真是聪明，又想出一些办法来研究人眼到底有哪些可以客观量化的特性。
感光细胞
人眼可以感受到光，但是为什么其他地方不行呢？因为视网膜上面有感光细胞。感光细胞大体分为两种，一种是杆状细胞，主要负责感知亮度；另外一种是椎状细胞，主要负责感知色彩。
杆状细胞对于光非常敏感，基本上只要有 5~14 个光子打到杆状细胞的话，就会开始产生神经信号。
而椎状细胞需要100~1000 个光子的能量才会开始产生神经信号。
这样就可以解释为什么光线很暗的时候，你很难看清“颜色”。
你知道么?
椎状细胞基本都分布在黄斑附近，距离越远，分布的就越少。
而杆状细胞在视网膜上基本是平均分布的。
这就是为什么视觉中心的分辨力高，而视野的外围只能感知亮度。
椎状细胞其实还分为三种椎状细胞，我们把他们叫做L细胞、M细胞、S细胞。
上面这个图片就是每种细胞可以感受到的功率谱分布。
详细的说明就是：
S细胞负责感受 450nm 附近短波长的光线；
M细胞负责感受 550nm 附近中波长的光线；
L细胞负责感受 600nm 附近长波长的光线。
人眼的本质
人眼可以认为就是一个接收器。它的作用就是将外界的光线的输入，转化成为输出神经电信号。
输入光线的功率谱分布，照射到眼睛，眼底的 LMS 感光细胞分别感应自己对应波长区域的能量。LMS 感光细胞根据接收到的总能量，传出对应强度的生物电信号。
如果写成数学的公式（LMS 三种感光细胞需要分别计算三次): $ C = \int_{min}^{max}S(\lambda)\cdot f(\lambda) d\lambda $
C表示输出的神经电信号S(λ)表示LMS 三种感光细胞的感知分布f(λ)表示进入眼睛的光线。
计算的方式叫做积分，你可能觉得有点陌生，没关系。用人话来说就是：输出的电信号的数值，就是曲线所覆盖的面积。
如果我们在稍微往前回忆一下，光线在入射到眼睛之前，还经过了反射的影响.
那么完整的公式应该怎么写呢：
其中
I(λ)表示光源的功率谱分布R(λ)表示反射物体的吸收功率谱分布，二者相乘，正好就是f(λ)。- 也就是之前说的，进入人眼的光线等于受到反射物体影响后的光源光线。
色盲的原理
色盲的原理其实就是由于某些原因导致LMS感光细胞的感知分布和正常人不太一样。
这样相同的光线对于色盲患者来说，产生的神经电信号就会和一般人不同，进而导致之后大脑对于色彩的感知出现不同。
比方说，红绿色盲，可能是M、L 两种感光细胞的感知分布曲线非常接近。这样不论输入的光线是红色还是绿色，M、L 两种感光细胞产生的神经电信号也是非常接近。这样就导致大脑无法区分两种颜色，因为他们的信号是一样的......
1.5 大脑的感知
不管前面发生了多少事情，最后能够让你知道哪种颜色的还是你的大脑。但是不幸的事情又发生了，大脑也不是绝对理性的，很多奇怪的事情都会发生。
这些就很难有科学的解释了，大多都是现象，你问我为什么？我也不知道，但是他们都是的的确确存在的。
色彩记忆性
不知道你有没有过这样的感受，当你看到某个颜色之后，尝试记住它。过一段时间之后，我让你在很多相近的颜色中挑选刚才你看到的颜色。你想要根据记忆直接选择正确的颜色？这很难啊！人脑对于色彩的记忆性是很差的......
色彩的相对性
当你看到某种非常饱和的颜色后，尝试一直看着这个颜色，慢慢的，你就会觉得这个颜色变得没有之前那么饱和了。但是当你看到两个有对比的颜色时，哪怕这个颜色并没有之前的饱和，你还是会觉得这个颜色是非常饱和的。
如果你看到一个小的色块，你会觉得这个颜色没有一整面墙的颜色饱和。其实小色块和整面墙的颜色是一样的。
色彩的适应性
如果你进入一个暖光灯环境，看到一张白纸，你会觉得纸张是暖黄色。但是慢慢的，你就会开始适应这种暖黄色。用不了多久，你就会发现纸张是白色的，而且你的大脑会根据这种新的白平衡来校准周围所有的色彩。但是一旦一离开这个环境，马上给你看同一张白纸,你就会觉得这个白纸是微微发蓝的冷色。
各种情绪、未知状况影响
你的心情也会影响到对于色彩的感知。就好像歌里唱到的:
我的人生是黑白的
