平日穿的純白色T恤，在清早的陽(yáng)光照射下透出溫暖的光澤；到了辦公室，在LED燈的照射下，卻又看著有幾分清冷的藍(lán)調(diào)。

同樣是白色T恤，不同光源下的區(qū)別你看出來(lái)了嗎，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

在漆黑的夜里，再絢麗的彩色衣服也只能看到黑色的模糊輪廓。但在不同的光照條件下，黑色卻能變得“五彩斑斕”：黑色絲絨長(zhǎng)裙燈光之下可能透出一絲棕調(diào)，看著格外深邃；而黑色汽車(chē)漆面泛著光澤，在車(chē)燈照射下又會(huì)映出隱約的藍(lán)。

汽車(chē)的黑色漆面能映出隱約的藍(lán)，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

難道是視覺(jué)在“騙”我們？

放心，你的視覺(jué)沒(méi)有任何問(wèn)題。這一切是因?yàn)椋?strong>“白”、“黑”和不同的顏色并非絕對(duì)的物理狀態(tài)，而是生物視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光信息的一種主觀解讀。

這聽(tīng)起來(lái)可能有些抽象，為了解開(kāi)色彩的奧秘，讓我們走進(jìn)眼睛的結(jié)構(gòu)，了解它是如何“看見(jiàn)”顏色的。

01

視覺(jué)的三原色與眼中的世界

人類(lèi)眼球的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)示意圖，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)光進(jìn)入我們的眼睛，眼睛里的視網(wǎng)膜最終對(duì)光會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)。視網(wǎng)膜上有兩組細(xì)胞，其中數(shù)量較多的一組叫視桿細(xì)胞（Rod）。視桿細(xì)胞主要負(fù)責(zé)感受較弱光線的明暗，卻無(wú)法分辨顏色。

另一組叫視錐細(xì)胞（Cone），專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)捕捉顏色信號(hào)，并且天生分為了三派：

• 紅敏視錐（對(duì)620-760nm的紅光波長(zhǎng)最敏感）

• 綠敏視錐（對(duì)520-560nm的綠光波長(zhǎng)最敏感）

• 藍(lán)敏視錐（對(duì)440-480nm的藍(lán)光波長(zhǎng)最敏感）

三種視錐細(xì)胞的感光能力，圖片來(lái)源：自己做的，數(shù)據(jù)來(lái)源于公開(kāi)源

我們看到花瓣的粉、天空的藍(lán)，這些不同的顏色，本質(zhì)都是不同的光進(jìn)入人眼后，分別刺激三種視錐細(xì)胞所產(chǎn)生的響應(yīng)。這些細(xì)胞以各自不同的強(qiáng)度“發(fā)聲”，信號(hào)傳至大腦后被巧妙整合，最終“合成”出我們所感知到的萬(wàn)千色彩。

然而，這些被我們視為理所當(dāng)然的顏色，在其他生物眼中可能完全不同。

動(dòng)物的色彩感知能力，取決于其視網(wǎng)膜上的視錐細(xì)胞種類(lèi)與數(shù)量，比如鴿子等鳥(niǎo)類(lèi)擁有4種視錐細(xì)胞，除了紅、綠、藍(lán)，還能感知人類(lèi)看不見(jiàn)的紫外線，在它們眼里，花瓣和天空的顏色可能比人類(lèi)所見(jiàn)豐富得多。

狗等大多數(shù)哺乳動(dòng)物只有2種視錐細(xì)胞（對(duì)應(yīng)藍(lán)、黃波長(zhǎng)），是“二色視者”。在狗眼里，紅色的玫瑰可能是“深黃色”，綠色的草地可能是“淺灰色”，它們的視覺(jué)世界如同人類(lèi)觀看加了藍(lán)黃濾鏡的黑白電視。

人類(lèi)和狗狗眼中色彩的差異，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

不僅在物種之間，即使在人類(lèi)內(nèi)部，色彩的感知也并非統(tǒng)一。所謂“紅綠色盲”，通常是由于感應(yīng)紅光或綠光的視錐細(xì)胞功能異?；蛉笔В瑢?dǎo)致大腦難以有效區(qū)分這兩種顏色。

沒(méi)有“通用的顏色”，只有“眼中的顏色”，色彩世界的多樣性遠(yuǎn)超我們的常規(guī)認(rèn)知。

科學(xué)家們研究人眼對(duì)顏色的感知規(guī)律，得出了色彩科學(xué)的核心原理——三原色（RGB）原理。

與人類(lèi)眼睛有三種視錐細(xì)胞對(duì)應(yīng)，光的三原色是紅、綠、藍(lán)。只需要這三種基礎(chǔ)光就能混合出大部分顏色，比如紅光+綠光混合出黃光；紅光+藍(lán)光混合出品紅光；綠光+藍(lán)光混合出青光；當(dāng)紅、綠、藍(lán)以相同強(qiáng)度疊加時(shí)，會(huì)直接變成白光。

這一原理是現(xiàn)代色彩技術(shù)的基礎(chǔ)。手機(jī)、電腦、電視的屏幕，都是由無(wú)數(shù)微小的紅、綠、藍(lán)子像素構(gòu)成的。我們的手機(jī)屏幕實(shí)際上沒(méi)有白色像素，而是依靠紅、綠、藍(lán)像素同時(shí)發(fā)光，讓眼睛誤以為看到了白光。

放大后的OLED屏幕，看到紅綠藍(lán)三種顏色的像素，圖片來(lái)源：自己做的

描摹

02

科學(xué)的色度圖與顏色的坐標(biāo)

前面說(shuō)顏色是主觀的，那我們?cè)趺礈?zhǔn)確地描述顏色？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們發(fā)明了色度圖，它就像一張“顏色地圖”，把人類(lèi)能看到的所有顏色都轉(zhuǎn)化成了清晰的坐標(biāo)，讓主觀的色彩有了客觀的定位。

我們現(xiàn)在常用的CIE 1931色度圖，是20世紀(jì)初國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）在三原色的基礎(chǔ)上， 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)對(duì)人眼顏色感知進(jìn)行數(shù)學(xué)建模后繪制的。

CIE 1931色度圖，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

這個(gè)馬蹄形圖形的彩色區(qū)域，包圍了該模型下人類(lèi)能夠感知的所有色度（不包括亮度信息）。頂部的弧線對(duì)應(yīng)著從約400nm到760nm波長(zhǎng)的單色光。而在圖形內(nèi)部的每一個(gè)點(diǎn)，都代表了混合不同波長(zhǎng)的光可以得出來(lái)的所有可能色度。

CIE 1931色度圖中“正白色”對(duì)應(yīng)于坐標(biāo)(0.33，0.33)的位置，該點(diǎn)附近的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，都是人認(rèn)可的“白色”，但組成成分有細(xì)微差別：

• 早晨陽(yáng)光（含更多長(zhǎng)波長(zhǎng)光，比如紅光、黃光）在中心偏右一點(diǎn)；

• 中午的陽(yáng)光光譜更均衡，坐標(biāo)在正中心；

• LED燈的白光（含更多短波長(zhǎng)光，比如藍(lán)光）在中心偏左一點(diǎn)。

這就是“五顏六色的白”的含義（不僅因?yàn)榘坠馐怯刹煌伾墓鈴?fù)合而成的，而且白色本身也不止對(duì)應(yīng)一種顏色）。

手機(jī)屏幕的色溫調(diào)節(jié)利用的就是這個(gè)道理：暖色溫（偏黃）相當(dāng)于將白色的坐標(biāo)向右移動(dòng)，冷色溫（偏藍(lán)）相當(dāng)于向左移動(dòng)。你喜歡的護(hù)眼模式，其實(shí)就是把白色調(diào)得更暖、更靠近早晨陽(yáng)光的位置。

常見(jiàn)的白光光源光譜，圖片來(lái)源：自己做的

至于“黑色”，它并不在色度圖的可見(jiàn)區(qū)域里，因?yàn)?strong>黑色本質(zhì)是光的缺乏（亮度為0）。當(dāng)你在關(guān)了燈的封閉臥室，伸手不見(jiàn)五指時(shí)，所有東西看起來(lái)都是“黑”的。這時(shí)候沒(méi)有光照射到你眼睛里，這就是最接近 “絕對(duì)黑”的狀態(tài)。

但生活中幾乎沒(méi)有“絕對(duì)黑”，黑夜中的物體也會(huì)反射一點(diǎn)點(diǎn)光，這些光會(huì)被我們敏感的視桿細(xì)胞捕捉到——此時(shí)雖然我們難以辨別物體的顏色，但是也能辨別出不同明暗的黑白輪廓。

亮度逐漸降低，趨近于光線的完全缺失，視覺(jué)上感知為“黑”。圖片來(lái)源：自己做的

需要注意的是，色度圖只代表人類(lèi)視覺(jué)能覆蓋的顏色范圍。像鳥(niǎo)類(lèi)能看到紫外線，它們對(duì)色彩的感知就不能用這張圖描述了。

標(biāo)尺

03

色彩的色準(zhǔn)與色彩還原的實(shí)踐

三原色原理和色度圖，回答了“顏色是什么”的理論問(wèn)題，如同描繪地圖，定義了不同顏色的坐標(biāo)。而“如何讓顏色保持一致”，讓不同的顯示器、不同批次的顏料都能給我們帶來(lái)一致的色彩體驗(yàn)，則需要色準(zhǔn)這個(gè)實(shí)踐工具。色準(zhǔn)的本質(zhì)，就是建立一套超越具體設(shè)備的、相對(duì)客觀的色彩標(biāo)準(zhǔn)體系，確保無(wú)論在哪看，顏色都不跑偏。

色準(zhǔn)的建立遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧鞒蹋?/p>

• 首先規(guī)定一套基準(zhǔn)色，如國(guó)際通用的Pantone色卡（每個(gè)色號(hào)對(duì)應(yīng)固定的紅、綠、藍(lán)光比例，在色度圖上有明確坐標(biāo)）；

  
  

Pantone色卡，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

• 其次確定標(biāo)準(zhǔn)光源，如最常用的D65標(biāo)準(zhǔn)光源（模擬正午太陽(yáng)光），統(tǒng)一顏色對(duì)比條件；

• 最后通過(guò)儀器測(cè)量實(shí)際顏色的色度坐標(biāo)，與標(biāo)準(zhǔn)顏色對(duì)比算出差異值（如ΔE值），ΔE越小，色準(zhǔn)越好。

我們常說(shuō)“這臺(tái)顯示器的紅色色準(zhǔn)好”，其實(shí)是指屏幕顯示的“紅色”色度坐標(biāo)，與在D65光源下“Pantone標(biāo)準(zhǔn)紅”的坐標(biāo)差異很小，使得人的視覺(jué)感知與“標(biāo)準(zhǔn)紅”幾乎一致。當(dāng)ΔE<1.0，人眼幾乎無(wú)法分辨差異，這是專(zhuān)業(yè)級(jí)顯示器追求的目標(biāo)。

那么，是不是色準(zhǔn)好，就能評(píng)價(jià)這是一臺(tái)完美顯示器了？答案是：遠(yuǎn)不止如此。

不同型號(hào)的電視屏幕有著細(xì)微差別，圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

除了色準(zhǔn)，色域（決定色彩范圍的豐富度）、均勻性（保證屏幕各區(qū)域色彩亮度一致）和對(duì)比度（影響明暗細(xì)節(jié)層次）等參數(shù)同樣至關(guān)重要。與此同時(shí)，分辨率決定了畫(huà)面的清晰度，刷新率與響應(yīng)時(shí)間影響動(dòng)態(tài)畫(huà)面的流暢度，而調(diào)光方式則直接關(guān)系到長(zhǎng)時(shí)間使用的視覺(jué)舒適度。

這些因素共同構(gòu)成了一套復(fù)雜的屏幕評(píng)價(jià)體系。但歸根到底，屏幕顯示效果的差異，首先源于不同的屏幕技術(shù)與顯示原理，它劃定了畫(huà)質(zhì)的起跑線。而科學(xué)家如何執(zhí)著還原畫(huà)面色彩，新型顯示技術(shù)又藏著哪些革新亮點(diǎn)？這些內(nèi)容，我們留到以后慢慢揭秘。

一塊令人滿(mǎn)意的屏幕，由多種參數(shù)共同決定，圖片來(lái)源：AI生成

回顧全文，從動(dòng)物眼中千差萬(wàn)別的色彩世界，到人類(lèi)用三原色、色度圖和色準(zhǔn)構(gòu)建的“顏色共識(shí)”，我們終于明白：光只有波長(zhǎng)，而顏色本身是生物大腦對(duì)波長(zhǎng)的獨(dú)特解讀，并非光的固有屬性。

人類(lèi)的色彩體系，就像我們約定用“米”丈量距離、“秒”記錄時(shí)間一樣，是一種基于視覺(jué)共性的通用語(yǔ)言。它不描述世界的“真實(shí)”，卻讓我們能在同一個(gè)頻道上看見(jiàn)彼此眼中的世界。

所以，下次當(dāng)你看到一件暖白的T恤或一輛泛藍(lán)的黑車(chē)時(shí)，不妨?xí)囊恍Α@世界本無(wú)顏色，是你的眼睛和大腦，為它涂上了“五顏六色的白”，與“五彩斑斕的黑”。

來(lái)源：季華實(shí)驗(yàn)室進(jìn)校園

編輯：張柒柒

轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)

如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原公眾號(hào)