颜色外观模型：人眼视觉理论基础

在不同观察条件下，人眼感知到目标颜色是不同的，并且会随着观察条件改变而变换，即使是在同一观察条件下，人眼对同一颜色刺激的观测也会由于其所在的空间位置受到周围像素的影响而发生色貌变化，这种颜色刺激周围其他刺激影响的空间分布现象即色貌现象，基于色貌现象的色貌模型已经在印刷、显示、高动态范围压缩等领域得到了广泛的应用。Mark D Fairchild是图色貌模型方面的大家，对色貌模型的发展有着举足轻重的作用，《Color Appearance Models》一书很好的概括了当前色貌模型的发展历程及应用，我将连续写几篇对于此书内容的解读文章。

在颜色科学领域，比色法(colorimetry)是最重要的理论基础，但比色法将颜色看做是仅由波长和物体表面反射率决定的纯物理量，但在实际经验和众多物理实验过程中发现，人眼所观测到的颜色还与观测者所处的环境有着莫大的关系，色貌模型即是对比色法的扩展，用来预测不同观察条件下人眼产出的颜色刺激值。这本书所描述的色貌模型始终是基于人眼视觉系统(Human Vision System)，因此先对人眼视觉系统做一个简单的概述。

我们的视觉感知与人眼的结构是紧密相关的，上图是人眼的结构示意图，这些器官都对颜色的感知有重大影响。

上图是视网膜示意图，从光感受细胞(Photoreceptor)、水平细胞(Horizontal)、双极细胞(Bipolar)、神经节细胞(Gangion)，这些细胞往往不是一对一的连接，而是一对多的相互连接，这也就意味着经由神经节细胞从视网膜传递到大脑的视觉信号并不是光感受细胞感受到的光强的点对点表示，而是光感受细胞感受到的光强的复杂组合，这也就是为什么人眼能够用100万个神经节细胞接收来自1.3亿个光感受细胞所接收到的光信号的原因。视网膜上比较重要的两种光感受器细胞是视椎细胞(Cone)和视杆细胞(Rod)，其结构如下图所示：

从名字上看视杆细胞应该细长，视椎细胞应该接近圆锥体，但这种基于形状的区别是有误的，这两种细胞的真正区别在于其视觉功能的不同，视杆细胞可以感知低于 1 c d / m 2 1cd/m^{2} 1cd/m2的弱光，且不感受光的颜色，视椎细胞可以感知高于 100 c d / m 2 100cd/m^{2} 100cd/m2的强光，且能感知颜色，光强度在 1 c d / m 2   100 c d / m 2 1cd/m^{2}~100cd/m^2 1cd/m2 100cd/m2的中强度光照小，视椎细胞和视杆细胞都能提供相应的视觉感知，其感知差异如下图所示：

此外，视椎细胞与视杆细胞的光谱灵敏度也有很大的差异，如下图所示，视杆细胞的光谱灵敏度峰值大概在400nm左右，视椎细胞可以根据其对不同波长的光的灵敏度分为 L 、 M 、 S L、M、S L、M、S三种，这就是视杆细胞不感受颜色，而视椎细胞感受颜色的原因，颜色空间中常见的 L M S LMS LMS颜色空间就是在模拟视椎细胞对不同波长光的感知。

另外， L 、 M 、 S L、M、S L、M、S三种光感受细胞在视网膜中并不是均匀分布的，其中 S S S型视椎细胞(感知蓝光)相对最少，且在中央凹区域几乎没有分布，这三种视椎细胞的分布比例约为 L : M : S = 40 : 20 : 1 L:M:S=40:20:1 L:M:S=40:20:1，且在中央凹区域没有视杆细胞

视网膜内的神经系统对视觉信息的处理是相当复杂的，简单而言，投射到视网膜上的光学图像首先被转化为光感受细胞中的化学信号及点信号，这些信号随后被视网膜中的神经网络处理，比较值得被注意的是视椎细胞和视杆细胞对场景辐照度的响应曲线，如下，这个曲线表示的是视杆细胞和视椎细胞在不同光强的刺激下产生的电荷强度，不敢是视杆细胞还是视椎细胞在光强度小于某阈值时都不能感光，光强度高于某阈值是都不能感受到光强度的进一步变化，而在这两个阈值中间部分是比较接近线性关系的。

即三色论，是一种重要的色觉理论，假定在人的视网膜中存在三种不同的感受器，现已被证实为三种视椎细胞，每种感受器只对可见光谱中的某个特定波长的色光敏感，后来H.Von.Helmholtz进一步发展了三色论，放弃了一种感受器只对一种波长敏感的看法，认为每种感受器都能对各种波长的光有反应，但红色感受器对长波的反应最强烈，绿色感受器对中波的反应最强烈，蓝色感受器对短波的反应最强烈，不同波长的混合光入射到视网膜，三种感受器产生相应的反应，然后将信号传输到大脑，由大脑对每幅图像中的信号比率进行比较，由大脑确定图像的颜色外观。三色论所假设的人眼对颜色的感知方式是十分低效的，且不能很好的解释色盲等视觉现象。

在三色论提出的同一时间，Hering根据其对心理物理学实验结果的观察提出了对立色理论，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认为红、绿、蓝、黄才是四种原色。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。根据Hering学说，三种视素的对立过程的组合产生各种颜色和各种颜色混合现象。当补色混合时，某一对视素的两种独立过程形成平衡，因而不产色与该视素有关的颜色感觉。但所有颜色都有把白色成分，所以引起白–黑视素的分解，从而产生白色或灰色感觉。同样情况，当所有颜色同时都作用到各种视素，红–绿、黄–蓝视素的对立过程都达到平衡，而只有白–黑视素活动，这就引起白色或灰色感觉。Hering学说很好地解释了色盲、颜色负后像等现象。色盲是缺乏一对视素（红–绿、或黄–蓝）或两队视素的结果。Hering学说的最大问题是对三原色能产色光谱上一切颜色这一现象没有给以说明。

一直以来三色论与对立色理论都被视为是相互对立的色觉理论，但现代生理学研究指出，与简单的三色论相反，三种视椎细胞感受到的三色图像并不是最接传递到大脑，而是将颜色进一步编码为对立色，这个编码的过程可以分为三种反应：①光反应( L + M + S L+M+S L+M+S)；②红绿反应( L − M + S L-M+S L−M+S)；③黄蓝反应( L + M − S L+M-S L+M−S)。这正好符合Hering的对立色理论，可以认为，在视网膜中椎体细胞对光颜色的感知是三色机制，而在视觉信息向大脑传递的过程中变成了对立色机制，转换过程如下图所示：

如上所述，现代的对立色理论将三色论与Hering的对立色理论统一了起来，成为当前主流的色觉理论，但人类视觉系统还有很强的动态适应能力，根据观看者所处的环境来动态地调节视觉响应，其中与颜色外貌尤其相关的调节机制有暗光条件下的自适应机制(Dark Adaptation)、亮光条件下的自适应 机制(Light Adaptation)、色度自适应(Chromatic Adaptation)。

在对人眼视觉系统的研究中经常使用CSF(Contrast Sensitivity Function)来表示人眼视觉系统的时空特性，视觉科学中的CSF类似于成像科学中的MTF(Modulation Transfer Functions)，将对比度定义为阈值响应与空间频率或时间频率间的函数关系，此处的对比度一般采用Michelson对比度： C = m a x L − m i n L m a x L + m i n L C=\frac{maxL-minL}{maxL+minL} C=maxL+minLmaxL−minL​，CSF通过空域或时域内正弦变化的图案经常测量，下图给出了经典的CSF函数，可以看出人眼感知场景亮度时类似带通滤波器，感知场景颜色时类似低通滤波器，人眼视觉系统对亮度变化更灵敏

下图能够比较好的印证人眼对亮度对比度的灵敏度高于对颜色对比度的灵敏度的结论