博文

色觉机制重大发现：从阶段模型到译码模型

已有 6578 次阅读 2013-4-6 15:56 |个人分类:色觉问题和分析哲学|系统分类:观点评述| 互补处理, 色觉模型, 色觉机制

这里介绍的是我20多年前的发现，光学学报上发表过。我人微言轻，不在专业圈子内，所以没多少人注意。不过我也没太花时间宣传。在我之后，西方也有人提出对称的色觉模型，参看这里， http://www.ps.bam.de/FI06E.PDF。结果和我类似，但是其互补处理远不如我的巧妙。我这里介绍一下我的译码模型，希望引起有关同行注意。

作者：鲁晨光 survival99@hotmail.com

1 引言?

Young和Helmholtz的三色素理论同Hering的互补色理论一直竞争了很长时间。流行的色觉阶段模型（zone model）是这两种观点的折中，它认为，色觉信号处理在视细胞阶段三色素信号形式存在，从视网膜的神经节细胞输出到大脑的以互补色(opponent colors)信号形式存在。生理试验支持这种观点。但是，输出的是哪些互补色信号，这是有争议的。阶段模型说是红－绿，兰－黄和黑－白三对互补色。

2.流行阶段模型中的互补色问题

阶段模型说的“红绿”不是日常所说的红绿，日常所说的红绿比如：电视机上的红色pixel, 和绿色pixel，或红绿彩条颜色。这两种颜色相加等于黄。但是，阶段模型种所说的红绿相加等于白。图右边是左边反色得出的，他们的颜色是互补的。

图1 红青互补色和绿绛互补色

由图1 可见，阶段模型种“红绿”实际上是红青,绿绛, 或介于两者之间的一对互补色。

3.阶段模型的问题

为了克服红绿互补问题，阶段模型有两种，下面称阶段模型I和II.

图2 阶段模型I

其基本公式是： R+G=Y(黄)， Y-B=兰黄互补信,号， R-G=红绿互补信号，R+G+B=白色信号

参看网页 http://webvision.med.utah.edu/KallColor.html 　

问题：1)R-G产生的不可能是互补色;

2)(B,G,R)=(0,0,1)应该说典型的红色, 其他颜色信号应该说0，但是根据这一模型，对于这一典型红色，Y>0, W>0.这是不合理的。

图3. 阶段模型II

其基本公式是： R+G=Y(黄)， Y-B=兰黄互补信号，R+B=M(绛色)， M-G=红绿(绛绿)互补信号，R+G=白色信号

参看网页 http://www.handprint.com/HP/WCL/color1.html

问题：

1）白色信号无须B, 只需G和R就能产生，这和三色素理论矛盾。

2）(B,G,R)=(1,0,0) 应该说典型的蓝色，其他颜色信号等于0，可是，按上面模型，也有 r>0.

流行阶段模型中，颜色加减的概念就有问题。颜色加减规律是指两个颜色矢量加减规律，而不是一个颜色的两个分量加减规律！把两个颜色分量相加减是没有任何物理意义的！

5. 阶段模型的出路：用逻辑运算取代加减运算

1）颜色分解得到7种纯色（unique colors）

我们吧只刺激一种视锥细胞的颜色叫做纯色。于是有

(B,G,R)=c1*(0,0,1)+c2*(0,1,1)+....c7(1,1,1)

比如: (3,5,9)=3*(1,1,1)+2*(0,1,1)+4*(0,0,1)=3*white+2*yellow+4*red

问题是怎样得到 ci, i=1,2,...,7, 这不能通过加减运算得到.

2）三－八译码模型

图4 改进的阶段模型－－鲁晨光的3－8译码模型

首先求出B,G,R种中间的一个M, 再用分别用R,G,B减去M就得到三对互补色

图6 颜色信号的模拟量逻辑运算图解

首先求中间的一个

M=middle(R,G,B)=RGVRBVBG＝max(min(R,G),min(R,B),min(R,B))

然后相减得到三对互补色：

R-M=RED/Cyan;

G-M=Green/Magenta;

B-M=Blue/Yellow

图5 Ven氏图显示颜色的二元逻辑运算:

M=RGVRBVBG

R-M=RED/Cyan;G-N=Green/Magenta; B-M=Blue/Yellow

5. 用译码模型解释色觉进化

根据译码模型, 我们能通过三敏感曲线的变化简单地说明色觉进化(见图15)。

图

7 色觉机制进化图解(横坐标：波长；总坐标：信号强度)

请想象曲线R和G逐渐相互靠近以至合二为一, 取名为Y, 我们将看到代表红、绿、青、绛的区域逐渐消失。进一步, 让B和Y逐渐相互靠拢以至合二为一, 取名为W, 我们将看到表示蓝和黄的区域也逐渐消失, 最终只有白色和黑色区域存在。我们可以想象颜色视觉是以相反的方式进化的。具有一种锥细胞的人只能察觉两种完全不同颜色:黑和白; 随着W分裂成B和Y, 人能渐渐能分辨出四种完全不同颜色: 蓝、黄、白、黑。随着Y分裂成G和R, 人能渐渐地能见到更多完全不同颜色。

我们得到结论: n种色敏感细胞可以引起2ⁿ种完全不同色觉(对于n=1,2,3)。当n=4时, 结论看来也是正确的。笔者建立了一个对称的可用于机器人的四原色色觉机制数学模型,其中除了白色” (1,1,1,1)和黑色(0,0,0,0)，有14种单纯彩色”，它们可以对称地放在一个球面上（参看[11]鲁晨光. 机器人色觉机制模型, 机器人,1,6(19 87),39-46）。由此我们可以得到一个颜色球它有许多牛顿色盘所具有的性质。

颜色分解图

据此分解，就可以很容易从RGB转到ＨＳＬ（色调，饱和度，明度）。

这种方法很早也被计算机行业采用——不是因为我，　参看这里：

http://www.easyrgb.com/index.php?X=MATH#text20

我和这位作者联系过，　他对我的模型很感兴趣，他说他只考虑颜色，没考虑色觉机制。国际光学学会一直没有使用这种方法，　这种情况正在改变。

6. 用译码模型解释色盲

现在我们可以通过视细胞敏感曲线的相互靠近从而更方便地解释色盲。比如, 全色盲可以说是因为色敏感曲线B,G,R还没有从一种分裂出来; 红绿色盲可以说是因为曲线G和R还没有从Y分裂出来。从这一观点看, 有些色盲被称之为“红色盲”或“绿色盲”只是由于Y波峰的波长或长或短。

图

8色盲图解(横坐标波长；纵坐标：信号强度)

蓝色盲可以想象B曲线向G曲线靠拢，以至合二为一。

各种色盲也可以通过让模拟电路中两个或三个3DU接收相同的输入信号来模拟。

另外，我们也可以想象绿色盲是因为G曲线合并到B曲线而不是R曲线中了，这样一来，人的色觉就有所不同，不是产生正常人的蓝黄两种感觉，而时正常人的红青两种感觉，如图中绿色盲a所示。然而，后面我们将证明，绿色盲a和绿色盲完全等价，不可区分；或者说，一个先天的绿色盲患者不可能知道自己是两种(甚至更多种)绿色盲中的哪一种，其他任何人也不会知道。

上面我们是用物理颜色来表示色觉的，而严格说来，色觉本身是不可表示的，我们只是表示了不同色觉的差异，并没有表示出色觉本身。所以图16中的绿色盲和绿色盲a两种表示完全等价。

7. 译码模型新问题

和流行的阶段模型不同的是，译码模型是对称的，有三对互补色、六种单纯彩色(unique colors)或感觉信号。我以为理想的色觉机制应该有6种单纯彩色(加上黑白一共是8种――2的3次方)。有人或许认为心理学实验已经证明四种单纯彩色存在, 因而产生六种纯彩色的模型是不合理的。