一、视觉刺激

    人类视觉剌激是电磁辐射的一部分,称可见光(visible light).其波长在将近400至750毫微米之间。自然界中不同的动物各有适合其生存条件的不同视觉系统。人的视觉虽然在某些方面似乎不如动物敏锐,但是人眼是一个非常完善的视觉机构,它能够看近处和看远处,在亮光下和在昏暗处米看东西,适应各种环境,并且更重要的是,人的眼睛有完美的色觉,使人能够欣赏到色彩缤纷的美好世界。图3.2显示可见光谱与电磁波的关系。

图3.2光谱与电磁波

二、基本的视觉现象

(一) 视觉适应

    适应指的是在剌激物持续作用下感受性发生的变化,适应既可以是提高感受性,也可以是降低感受性。视觉的适应现象最常见的有明适应和暗适应两种。明适应又称光适应。由暗处到光亮处,特别是在强光下,最初一瞬间会感到光线刺眼发眩,几乎看不清外界物体,几秒钟之后逐渐看清物体。这种对光的感受性下降的变化现象称为明适应。从亮处到暗处,人眼开始看不见周围东西,经过一段时间后才逐渐区分出物体,人眼这种感受性逐渐增高的过程叫暗适应。

(二) 色觉

    在一定强度下,一种波长的光引起一种特定的颜色感觉。但眼睛很少接受到的是单一波长的纯光。例如,日光是由各种波长的光波混合而成。

    颜色感觉具有三种属性:色调、饱和度和亮度。

    色调是颜色的基本特征或表现,如红色、绿色,它由混合光中起主导作用的波长所决定。在产生白、灰、黑系列的混合光中,由于没有起主导作用的波长,一般认为它们不具色调,称它们为无彩色或中和色。各种彩色依据它在心理上的相似程度排列,可构成一个环形,称色环,见图3.3。在色环上,凡相邻两种不同波长的色光相混合,都会产生位于两者中间的另外一种颜色。例如红与黄相混合会出现橙色。

    饱和度与光的强度有关。在一个颜色中,起主导作用的波长越强,表现出色调越纯,也就是该颜色的饱和度越大。

    亮度指构成该颜色的全部光波的总强度。白色亮度最大,当其亮度减弱时,表现出一系列灰色,最终达到全部黑暗时,视觉消失。

图3.3 色环

三、视觉的机制

(一) 眼睛

1.眼睛的构造
    眼睛是一个非常复杂和完善的视觉结构。光波传到眼部首先要经过一些辅助组织的调节,才能投射到眼球底部的视网膜上成像。眼球最外部是一个透明的保护层,叫做角膜,光线通过它进入到位于它后面由虹膜环绕的瞳孔。瞳孔随光线的强弱调节其大小,使适量的光线进入眼球。瞳孔后方是水晶体,再经过眼部肌肉调节水晶体的曲度变化,适量的光线就能恰好聚焦在眼球后部的视网膜上成像了(见图3.4)。

图3.4 眼睛的主要构造

2.网膜上的感光细胞
    光能向神经活动的转换在网膜上实现,网膜是真正的感光机构。网膜由多层神经细胞组成,最主要的是两种感光细胞--棒体细胞和锥体细胞。在光的刺激作用下,它们通过所含化学物质的变化传递着视觉信息。棒体细胞和锥体细胞不仅形状不同,它们的功能和在网膜上的位置分布也不相同。棒体细胞只对光的强度起反应,对微弱光线敏感,但不能分辨颜色;锥体细胞则可以专门反应光的波长(也就是颜色),但对光的强度反应很差,因此在光亮条件下,锥体细胞使人能够细微地分辨颜色,在人类视觉中最为活跃,而在光线微弱时就不起作用了。

    感光细胞在网膜上的分布：锥体细胞集中于网膜中心,称作中央窝或黄斑(fovea)的一点上。离开黄斑向网膜边缘扩展,锥体细胞逐渐减少,棒体细胞逐渐增加。这就造成了假若在昏暗条件下要看一个细小的物体,余视比正视效果更好。

    视觉适应的产生正是不同感光细胞起作用的结果。暗适应包含两种基本过程:瞌孔大小的变化及视网膜感光化学物质的变化。从光亮到黑暗的过程中,瞠孔直径可由2毫米扩大到8毫米,使进入眼球的光线增加10~20倍,但暗适应的主要机制是视网膜的感光物质--视紫红质的恢复。人眼接受光线后,锥体细胞和棒体细胞内的一种光化学物质--视黄醛完全脱离视蛋白,发生漂白过程;当光线停止作用后,视黄醛与视蛋白重新结合,产生还原进程。由于漂白过程而产生明适应,由于还原过程使感受性升高而产生暗适应。视觉的暗适应程度是与视紫红质的合成程度相应的。暗适应主要是棒体细胞的功能,在暗适应的最初5~7分钟里,感受性提高很快,这一阶段是锥体细胞与棒体细胞共同参与的结果；之后,感受性仍上升,不过上升的速度降低了,这一阶段是只有棒体细胞继续起作用。

    明适应的过程与暗适应相反,一方面瞌孔缩小以减少视网膜上的光量,另一方面暗适应时的棒体细胞的作用转到锥体细胞发生作用,其机制也可以用视觉色素的漂白过程来解释。

(二)色觉理论

1.三原色说
    三原色说是由杨和黑尔姆兹提出,也称杨一黑理论。他们认为任何颜色都能由三种波长的纯光混合而产生。人具有三种不同形态的锥体细胞,它们分别对红、绿、蓝三种原色最敏感。以不同比例混合这三种原色,可以产生各种不同颜色。生理学家用显微镜观察已发现了三种锥体细胞。但三原色说对于有些视觉现象还不能做出很好的解释。例如视觉后像,当光剌激终止对感受器的作用后,它所引起的视觉并不立即消失,它会出现一个短暂的驻留,称正后像。电影的原理就是利用人们的正后像,使快速呈现的一组断续的图像被看成了连续的动景。如图3.5注视其图中心的黑色圆点一分钟,然后把注视点转移到右图中心的X处,你会看到白色背景上的一个黑色十字架,这种视觉现象称作负后像。根据负后像原理,你可以发现在注视任何一种颜色后,都会在白色背景上看到一个与它相反的颜色出现,这是颜色对比现象。

图3.5 负后像

2.拮抗理论
    为了解释颜色对比现象,黑林提出颜色拮抗理论,也简称四色说。他提出人眼对光反应的视觉基本单元是成对组织的,有红、绿、黄、蓝四种原色,加上黑与白共成三对,在光波影响下起作用。每一对的两个要素作用相反,具有拮抗作用,表现是当其中一个停止作用后,另一个就激活。所以先看红色,后像就是绿色。

    拮抗原理也能解释颜色互补现象。如果产生两种颜色的光波相混合,结果出现灰色,即这两种颜色互补,或称为互补色。互补色在色环上的位置基本相对,红与绿、黄与蓝是互补色。根据拮抗原理,互补现象是由于两个互补色以相反方向剌激同一视觉单元,结果相互抵消而造成的。这三对相互拮抗的活动已得到研究证明。它们不是视网膜上,而是在视神经通路中途的神经结细胞发生的。

    三原色说可以解释视觉感受器的活动,拮抗说可以解释视觉信息自感受器输出后在神经结细胞上的活动过程,两种理论互相补充，在解释人类色觉的复杂现象中都起重要作用。