08.观察者:眼睛如何看到颜色《颜色-不是你想象的那样(第二版)》
这个系列最重要的一个概念,就是颜色感知三要素:包括光源,物体,观察者。本文介绍其中一个要素——观察者——人类作为观察者是如何感受颜色的呢?
人眼结构
先关注人眼结构。
人眼很复杂,这次主要看角膜(cornea)、晶状体(lens)、和视网膜(retina)
眼睛能看到东西,需要让光线聚焦到视网膜中,其中,让起聚焦作用的结构主要有两个:晶状体和角膜。
晶状体(lens ),相当于照相机的镜头(lens ),英文是一样的。晶状体的重要作用在于通过自身的变形来调节焦点。
角膜(retina) 主要作用是对光线弯曲聚焦。角膜就是眼睛最外面的一层。让外面的光线通过角膜的折射进入到眼睛中。
光线到达人眼前,通过眼球角膜对光线的折射,再经过晶状体大小的调节让视野焦点准确地落在视网膜上。但是如果晶状体出现问题,可能会将焦点落在视网膜前面,这就是近视眼,如果晶状体将焦点落在视网膜后面,这就是远视眼(老花眼)。
光线达到视网膜后,视网膜的构造也很复杂,如下图,在视网膜中经过光感受器,或者说是感光细胞的处理,将光信号转化为电信号,然后通过神经节细胞的传递,到达我们大脑的视觉皮层进行分析。
感光细胞
其中,感光细胞才是我们对于颜色感知的主要部分。
感光细胞有两类:杆体细胞(视杆细胞)和锥体细胞(视锥细胞)。这些细胞是根据其形状命名的,如下图:
视杆细胞是暗视觉器官,对弱光反应灵敏,在低照明水平情况下发生作用,但不能感受颜色【只能感受有没有光】。
视锥细胞是明视觉器官,使我们看到彩色和非彩色【可以识别什么颜色的光】。
而对于感受到颜色的椎体细胞有三类:
蓝视锥(S型视锥细胞)【人眼感光的峰值420nm】
绿视锥(M型视锥细胞)【人眼感光的峰值530nm】
红视锥(L型视锥细胞)【人眼感光的峰值560nm】
下图展示了不同视锥细胞的光谱响应曲线。三条曲线分别对应三种视锥细胞。他们的峰值分别出现在短波长(S),中波长(M)和长波长(L),所以我们也这样命名:
蓝视锥(S型视锥细胞):对短波(蓝光)的响应很高,但对长波几乎没有响应;
红视锥(L型视锥细胞):对长波(虹光)的响应很高,但对短波几乎没有响应;
绿视锥(M型视锥细胞):介于蓝视锥和红视锥之间。
人眼如何辨别颜色
这里举个例子,我们为什么看到580mm波长是黄色呢?
580nm波长的光,照射到我们眼睛的视网膜上,然后三种视锥细胞就开始起作用了:
蓝视锥:几乎没有响应,响应为0;
绿视锥:部分响应,大概45%;
红视锥:响应很大,差不多95%。
这样这三种视锥细胞形成一组参数(0,45,95),将580nm波长的电磁波从光信号转化为这种数字的电信号,传递到大脑的视皮层,进行编码,就形成了我们对580nm波长的光的感知——黄色。黄色跟(0,45,95)这组编码一一对应。反过来,无论你通过怎样的光的混合,只要产生(0,45,95)这组编码,大脑就会辨认出黄色。
以上就是我们人眼如何看颜色的过程。明白了人眼的颜色辨认的原理之后,会更容易理解后面介绍量化颜色的方法。
知识账本
眼睛能看到东西,需要让光线通过角膜和晶状体的折射,聚焦到视网膜中,视网膜上的三种锥体细胞对光线进行编码,将光信号转化为电信号,传递到大脑中。