一、視覺刺激

人類視覺剌激是電磁輻射的一部分,稱可見光(visible light).其波長在將近400至750毫微米之間。自然界中不同的動物各有適合其生存條件的不同視覺系統。人的視覺雖然在某些方面似乎不如動物敏銳,但是人眼是一個非常完善的視覺機構,它能夠看近處和看遠處,在亮光下和在昏暗處米看東西,適應各種環境,并且更重要的是,人的眼睛有完美的色覺,使人能夠欣賞到色彩繽紛的美好世界。圖3.2顯示可見光譜與電磁波的關系。

圖3.2光譜與電磁波

二、基本的視覺現象

(一) 視覺適應

適應指的是在剌激物持續作用下感受性發生的變化,適應既可以是提高感受性,也可以是降低感受性。視覺的適應現象最常見的有明適應和暗適應兩種。明適應又稱光適應。由暗處到光亮處,特別是在強光下,最初一瞬間會感到光線刺眼發眩,幾乎看不清外界物體,幾秒鐘之后逐漸看清物體。這種對光的感受性下降的變化現象稱為明適應。從亮處到暗處,人眼開始看不見周圍東西,經過一段時間后才逐漸區分出物體,人眼這種感受性逐漸增高的過程叫暗適應。

(二) 色覺

在一定強度下,一種波長的光引起一種特定的顏色感覺。但眼睛很少接受到的是單一波長的純光。例如,日光是由各種波長的光波混合而成。

顏色感覺具有三種屬性:色調、飽和度和亮度。

色調是顏色的基本特征或表現,如紅色、綠色,它由混合光中起主導作用的波長所決定。在產生白、灰、黑系列的混合光中,由于沒有起主導作用的波長,一般認為它們不具色調,稱它們為無彩色或中和色。各種彩色依據它在心理上的相似程度排列,可構成一個環形,稱色環,見圖3.3。在色環上,凡相鄰兩種不同波長的色光相混合,都會產生位于兩者中間的另外一種顏色。例如紅與黃相混合會出現橙色。

飽和度與光的強度有關。在一個顏色中,起主導作用的波長越強,表現出色調越純,也就是該顏色的飽和度越大。

亮度指構成該顏色的全部光波的總強度。白色亮度最大,當其亮度減弱時,表現出一系列灰色,最終達到全部黑暗時,視覺消失。

圖3.3 色環

三、視覺的機制

(一) 眼睛

1.眼睛的構造 眼睛是一個非常復雜和完善的視覺結構。光波傳到眼部首先要經過一些輔助組織的調節,才能投射到眼球底部的視網膜上成像。眼球最外部是一個透明的保護層,叫做角膜,光線通過它進入到位于它后面由虹膜環繞的瞳孔。瞳孔隨光線的強弱調節其大小,使適量的光線進入眼球。瞳孔后方是水晶體,再經過眼部肌肉調節水晶體的曲度變化,適量的光線就能恰好聚焦在眼球后部的視網膜上成像了(見圖3.4)。

2.網膜上的感光細胞 光能向神經活動的轉換在網膜上實現,網膜是真正的感光機構。網膜由多層神經細胞組成,最主要的是兩種感光細胞--棒體細胞和錐體細胞。在光的刺激作用下,它們通過所含化學物質的變化傳遞著視覺信息。棒體細胞和錐體細胞不僅形狀不同,它們的功能和在網膜上的位置分布也不相同。棒體細胞只對光的強度起反應,對微弱光線敏感,但不能分辨顏色;錐體細胞則可以專門反應光的波長(也就是顏色),但對光的強度反應很差,因此在光亮條件下,錐體細胞使人能夠細微地分辨顏色,在人類視覺中最為活躍,而在光線微弱時就不起作用了。

感光細胞在網膜上的分布：錐體細胞集中于網膜中心,稱作中央窩或黃斑(fovea)的一點上。離開黃斑向網膜邊緣擴展,錐體細胞逐漸減少,棒體細胞逐漸增加。這就造成了假若在昏暗條件下要看一個細小的物體,余視比正視效果更好。

視覺適應的產生正是不同感光細胞起作用的結果。暗適應包含兩種基本過程:瞌孔大小的變化及視網膜感光化學物質的變化。從光亮到黑暗的過程中,瞠孔直徑可由2毫米擴大到8毫米,使進入眼球的光線增加10~20倍,但暗適應的主要機制是視網膜的感光物質--視紫紅質的恢復。人眼接受光線后,錐體細胞和棒體細胞內的一種光化學物質--視黃醛完全脫離視蛋白,發生漂白過程;當光線停止作用后,視黃醛與視蛋白重新結合,產生還原進程。由于漂白過程而產生明適應,由于還原過程使感受性升高而產生暗適應。視覺的暗適應程度是與視紫紅質的合成程度相應的。暗適應主要是棒體細胞的功能,在暗適應的最初5~7分鐘里,感受性提高很快,這一階段是錐體細胞與棒體細胞共同參與的結果；之后,感受性仍上升,不過上升的速度降低了,這一階段是只有棒體細胞繼續起作用。

明適應的過程與暗適應相反,一方面瞌孔縮小以減少視網膜上的光量,另一方面暗適應時的棒體細胞的作用轉到錐體細胞發生作用,其機制也可以用視覺色素的漂白過程來解釋。

(二)色覺理論

1.三原色說 三原色說是由楊和黑爾姆茲提出,也稱楊一黑理論。他們認為任何顏色都能由三種波長的純光混合而產生。人具有三種不同形態的錐體細胞,它們分別對紅、綠、藍三種原色最敏感。以不同比例混合這三種原色,可以產生各種不同顏色。生理學家用顯微鏡觀察已發現了三種錐體細胞。但三原色說對于有些視覺現象還不能做出很好的解釋。例如視覺后像,當光剌激終止對感受器的作用后,它所引起的視覺并不立即消失,它會出現一個短暫的駐留,稱正后像。電影的原理就是利用人們的正后像,使快速呈現的一組斷續的圖像被看成了連續的動景。如圖3.5注視其圖中心的黑色圓點一分鐘,然后把注視點轉移到右圖中心的X處,你會看到白色背景上的一個黑色十字架,這種視覺現象稱作負后像。根據負后像原理,你可以發現在注視任何一種顏色后,都會在白色背景上看到一個與它相反的顏色出現,這是顏色對比現象。

2.拮抗理論 為了解釋顏色對比現象,黑林提出顏色拮抗理論,也簡稱四色說。他提出人眼對光反應的視覺基本單元是成對組織的,有紅、綠、黃、藍四種原色,加上黑與白共成三對,在光波影響下起作用。每一對的兩個要素作用相反,具有拮抗作用,表現是當其中一個停止作用后,另一個就激活。所以先看紅色,后像就是綠色。

拮抗原理也能解釋顏色互補現象。如果產生兩種顏色的光波相混合,結果出現灰色,即這兩種顏色互補,或稱為互補色。互補色在色環上的位置基本相對,紅與綠、黃與藍是互補色。根據拮抗原理,互補現象是由于兩個互補色以相反方向剌激同一視覺單元,結果相互抵消而造成的。這三對相互拮抗的活動已得到研究證明。它們不是視網膜上,而是在視神經通路中途的神經結細胞發生的。

三原色說可以解釋視覺感受器的活動,拮抗說可以解釋視覺信息自感受器輸出后在神經結細胞上的活動過程,兩種理論互相補充，在解釋人類色覺的復雜現象中都起重要作用。