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还记得色盲悖论? | 文艺科学小组 | 果壳网 科技有意思

之前网上不是流行过这个色盲悖论题么?

有一个人,他有一种奇怪的色盲症。他看到的两种颜色和别人不一样,他把蓝色看成绿色,把绿色看成蓝色。 但是他自己并不知道他跟别人不一样,别人看到的天空是蓝色的,他看到的是绿色的,但是他和别人的叫法都一样,都是“蓝色”;小草是绿色的,他看到的却是蓝色的,但是他把蓝色叫做“绿色”。所以,他自己和别人都不知道他和别人的不同。

一、怎么让他知道自己和别人不一样? 二、你怎么证明你不是上述问题中的主人公?


首先吧……假如真有这种病症,也不属于色盲啊。

“色盲”指的是“无法正确感知部分或全部颜色间区别的缺陷”。例如难以分辨红色和绿色,就是红绿色盲。

世界上已知的色盲症,就只有三色视觉异常(色弱)、红绿色盲、蓝黄色盲和全色盲这么几类。

这个“看反蓝绿色”,说难听了,就是胡诌。

在一个实质谬误的假设之上,能推出正确的结论吗?能说服别人吗?

不过,没关系。我们要求没这么苛刻。

实际上这个问题,是一个很有趣的思想实验。

在分析这个问题前,有必要先讲一点色彩学的知识。

光的本质是电磁波。电磁波谱包括了电磁波所有可能的频率。其中,人眼可见部分被称为可见光,波长范围约为380nm至760nm。

上图便是可见光谱示意图,从左至右波长单增。

也就是说可见光谱最左端的紫色光对应380nm波长,最右端的红色光对应760nm波长,出了可见光谱的范围,再往左是紫外线,再往右是红外线。


也许有人会说,啊,不对,这样红橙黄绿青蓝紫排下来,波长一直在减,那从紫色不就回不到红色了吗?那下面这个环怎么解释?

色相环,不能直接和可见光谱相提并论。为什么待会儿我就讲。

可见光谱的成分是单色光,颜色是频率决定的。

色相环的颜色是在确定了三原色的前提下,用三原色按不同比例混出来的,如果是光,也是混色光。

光的三原色红绿蓝呀,绿加蓝等于青呀,红加蓝等于紫呀,都是在确定了三原色之后,才有的概念。

跳过单色光直接谈混色的通通都是耍流氓。


至于原色怎么来的,掰开揉碎了讲大概没谁愿意从头读到尾……我就长话短说了。

原色其实是生物学概念,基于人眼对光的生理作用。也就是说,三原色是人为规定的概念。

人眼的感光细胞分为视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞与暗视觉(在黑暗处能看得多清楚)相关,而视锥细胞使得人眼有了分辨颜色的能力。

人眼视锥细胞分三种,分别对黄绿色、绿色和蓝紫色的光最敏感。

有人插话,啊,不对,这哪是三原色?

还那句话,原色是人为规定的。三种颜色,只要其中一种不能用其他两种混合出来,这就可以算一组原色。但为什么选的是红绿蓝呢,因为这一组仍可以分别刺激三种视锥细胞,而且波长差距大,混色的覆盖范围比其他组要广。


顺便提一句,请分清楚色光三原色和色料三原色

色料的颜色是由它所反射的光的颜色决定的。例如红色颜料,就是吸收了别的色光,只反射红色光。

色光三原色是红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)。基于此的色彩系统,称为RGB色彩空间。

色料三原色是青(Cyan)、黄(Yellow)、品红(Magenta)。但是这三种颜色混不出纯黑色,所以在印刷技术上引入了黑色(Black),构成的是CMYK色彩空间。

至于红黄蓝的说法,是个广泛流传的错误。青就是青,品红就是品红。

麦克斯韦三角形。混色光就是这么来的。

所以基于此,红光和绿光能混成黄光。但这个黄光是混色光。人眼看来,混色黄光和单色黄光可能是一样的,不过通过衍射实验就足以区分二者的不同。(更新:之前举的例子是紫光,这个例子并不好)

某种混色光的视感等同于一种单色光,这种人眼的特性称为色匹配,也是彩色电视机和彩色显示屏显像的理论依据。

为什么蓝光发光二极管(LED)的发明拿了今年的诺贝尔奖?因为在此之前很长时间里,只有红光和绿光LED存在。没有蓝光LED,理论上高效节能的白光LED灯就造不出来,LED照明显示产业就要停滞在此。


下面要提到“三刺激值”这个概念,它指的是匹配一种颜色的混色所需的三原色的量,说白了就是三个系数。这三个系数归一化后称为色品,分别表示为r、g、b,显然有 r+g+b=1,且r,g,b∈[0,1]。然后就可以建立坐标系啦!这个等式实际上是个平面方程,这个平面称为色品图。

左图为麦克斯韦三角形在rgb坐标系中的表示。当b轴正方向指着你时,你看到的就是右图。

麦克斯韦三角形里面,就是三原色能混出的所有颜色的集合。

每个点称为一个色品点,有一个色品坐标(r,g,b),对应一种颜色。例如三原色中的红就是(1,0,0)。


现在提问!

这三原色能匹配(注意用词,不能用混成,光谱色都是单色光不可能混成)全部光谱色吗?


能。

但rgb中会出现负值。

色彩三属性,色相、明度、饱和度(纯度)。

对于光谱色,三刺激值都会随波长变化,是波长的函数(颜色匹配函数)。因为这些单色光都是最高饱和度的,所以三刺激值中出现了负值,相应地,rgb中也会出现负值。

(更新:关于负值的疑问,请见111楼@laoma的讲解,比我的更明了)

所以光谱色的色品图就成了……

两幅图请对比着看,牢记坐标系总有一个轴的正方向指着你。

左图中这个偏马蹄形,光谱色的色品点都分布在这条曲线(光谱色色品轨迹,不含下面的横线)上。

说白了,混色的集合是个面,光谱色的集合是条线,RGB系统是个三角,色相环就是把这三角的框框拉成一个圈儿……

(现在,对于可见光谱和色相环的区别,还有疑问吗?)

但是这图好别扭,能不能变得顺眼一点?能,变换坐标系呗~

注意到左图的红三角了吗?它是这么来的:

我们先假设新的一组三原色X、Y和Z(当然,它们作为颜色来说实际并不存在),保证在XYZ混色匹配光谱色时,三刺激值全是正值,而且不存在的颜色(曲线外面)所占面积尽量小。

于是,新三原色的色品x、y、z就有了。对色品图进行一下坐标系变换,就成了右图这个比较正的马蹄形(红三角在右图中没有直接画出,它现在是一个把马蹄形包起来的等腰直角三角形)。

右图中的黑三角,就是原来的麦克斯韦三角形。

(更新:这条曲线一端是原色中的红色,另一端到原色中的蓝色就打住了。它包含了光谱色的绝大多数,但可见光谱最两端的颜色,可能是红绿蓝三原色系数取负值也无法精确匹配的。在此存个疑……)


这个马蹄形,正式名称是CIE 1931 XYZ色彩空间,创立方为国际照明委员会(Commission Internationale de l'Eclairage,CIE)。

实际上,你此刻在屏幕上看到的这幅色彩空间示意图,颜色是不精确的。

物理实验室的挂图,书上的彩页,颜色也是不精确的。

为什么?因为显示屏的子像素的饱和度,达不到光谱色那么高,圈出来的三角形,就要小一圈。混出的颜色,必然与真正的最为饱和的光谱色有差距。

要想看到绝对精确的,除非一片可见光直接打到你眼里。

显而易见,三角形覆盖范围越大,色彩越逼真。最大的那个就是“色彩空间之王”ProPhoto RGB。

讲了一串看似和分析色盲悖论无关的知识呢……但不把这些讲明白,很多人在深入地琢磨这个问题时,恐怕就会犯不必要的糊涂。

(更新:早期的示意图中,错误地出现了品红色。感谢@wanglin406指正)

上图是正常人眼中的可见光谱。

下图是这位可怜人眼中的可见光谱。

为什么应当是这样?题目假设的就是,把蓝色看成绿色,把绿色看成蓝色。

三原色中的绿色和蓝色各自对应一种特定波长的单色光,546.1nm绿光和435.8nm蓝光,这是CIE规定的。所以,狭义的、作为原色的绿色和蓝色,只是一条竖线。而广义的绿色和蓝色,是以这竖线为中心的一片范围。

在他眼中,三原色还是红、绿、蓝,混色公式见下图。


嗯,这是我觉得最有价值的一句总结:

信誓旦旦地说黄色不经过绿色就变不到蓝色的,就是睁眼说瞎话。

但愿有这种认识误区的人,只是少数。


对于色盲悖论提出的两个问题,我的看法和当年的普遍观点一样:一,没有办法;二,无法证明。

(更新:针对这个小破思想实验, @wanglin406@紫电疾风 同学有不同看法,详见57楼,以及链接http://www.guokr.com/post/648654/

这篇帖子,其实只是为了普及一点入门级的色彩科学,让新入坑的讨论者们不至于陷入低级错误和无意义争执的泥淖。

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