色彩恆常性

顏色恆常性是主觀恆常性的一個例子，也是人類色彩知覺系統的一項特徵，它能確保在不同的光照條件下，物體被感知到的顏色能保持相對不變。舉例來說，一顆青蘋果在正午白色陽光的主要照明下看起來是綠色的，在日落時主要照明為紅光時，看起來也是綠色的。這有助於我們辨識物體。

歷史

伊本·海什木透過觀察到物體反射的光會被物體顏色所修飾，從而對顏色恆常性提出了早期的解釋。他說明，光的性質與物體的顏色混合在一起，而視覺系統會將光與顏色分開。他寫道：

光線從有色物體傳到眼睛時，必然伴隨著顏色，顏色的形式從有色物體傳到眼睛時，也必然伴隨著光線。無論是光的形式還是存在於有色物體中的顏色形式，都只能混合在一起傳遞，而最終的感知者只能感知到它們混合在一起的狀態。儘管如此，感知者仍能察覺到可見物體是發光的，物體上看到的光與其顏色是不同的，這是兩種不同的屬性。

蒙日 (1789)、楊格 (1807)、馮·亥姆霍茲 (1867)、赫林 (1920) 和馮·克里斯 (1902, 1905)，以及後來的研究者赫爾森與傑弗斯 (1940)、賈德 (1940) 和蘭德與麥肯 (1971)，都對顏色恆常性的研究做出了重大貢獻。在這段時間裡，有兩種觀點長期並存：一種認為顏色恆常性的發生是無意識推斷的結果（賈德，1940；馮·亥姆霍茲，1867），另一種則認為這是感官適應的結果（赫爾森，1943；赫林，1920）。為了釐清觀察者顏色恆常性判斷的本質，阿倫德與里夫斯 (1986) 進行了首次系統性的行為實驗。此後，新的顏色恆常性模型、關於皮層機制的生理學資訊，以及自然場景的攝影色度測量相繼問世。

色彩視覺

色彩視覺是我們感知物體客觀顏色的方式，人類、動物和機器能夠根據物體反射、透射或發出的不同波長的光線來區分顏色。在人體中，光線由眼睛中的兩種類型光感受器——視錐細胞和視桿細胞——所偵測，它們將訊號傳送至視覺皮層，視覺皮層再將這些訊號處理成主觀的感知。顏色恆常性是一個過程，它讓大腦能夠在任何特定時刻，無論從物體反射的光量或波長如何，都能將一個熟悉的物體辨識為具有一致的顏色。

物體光照

當光源不被直接知曉時，顏色恆常性現象就會發生。因此，在晴空萬里的日子裡，顏色恆常性的效果會比陰天時更為顯著。即使太陽可見，顏色恆常性也可能影響色彩感知。這是因為我們忽略了所有可能的光源。儘管一個物體可能將多個光源的光線反射到眼中，但顏色恆常性使物體的客觀特性保持不變。

D. H. 福斯特 (2011) 指出：「在自然環境中，光源本身可能沒有明確的定義，因為場景中某特定點的光照通常是直射光與間接光的複雜混合，分佈在一系列的入射角上，並受到局部遮蔽和相互反射的修正，所有這些都可能隨時間和位置而變化。」自然環境中可能的光照頻譜範圍寬廣，而人眼感知顏色的能力有限，這意味著顏色恆常性在日常感知中扮演著功能性的角色。顏色恆常性使人類能夠以一致或真實的方式與世界互動，並能更有效地判斷一天中的時間。

生理學基礎

顏色恆常性的生理學基礎被認為涉及初級視覺皮層中的特化神經元，這些神經元計算視錐細胞活動的局部比率，這與蘭德的 Retinex 演算法為實現顏色恆常性所使用的計算相同。這些特化細胞被稱為雙拮抗細胞，因為它們同時計算色彩拮抗和空間拮抗。雙拮抗細胞最早由奈傑爾·道在金魚的視網膜中描述。關於這些細胞是否存在於靈長類的視覺系統中曾有過相當大的爭議；最終，透過使用逆相關感受野映射以及一次只選擇性激活單一類別視錐細胞的特殊刺激（即所謂的「視錐細胞隔離」刺激），證明了它們的存在。人類大腦成像證據強烈表明，產生顏色恆常性的關鍵皮層位點位於 V4 皮層區，該區域的損傷會導致大腦性色盲症候群。

只有當入射光照包含一系列波長時，顏色恆常性才能發揮作用。眼睛中不同的視錐細胞會記錄場景中每個物體反射光線的不同但重疊的波長範圍。視覺系統會根據這些資訊，試圖確定照明光的大致組成。然後，這種光照會被扣除，以獲得物體的「真實顏色」或反射率，即物體所反射的光波長。這種反射率在很大程度上決定了感知到的顏色。

神經機制

顏色恆常性有兩種可能的機制。 第一種機制是無意識推斷。第二種觀點認為此現象是由感官適應所引起。 研究表明，顏色恆常性與視網膜細胞以及與視覺相關的皮層區域的變化有關。此現象很可能歸因於視覺系統不同層級的變化。

視錐細胞適應

視錐細胞是視網膜內的特化細胞，它們會根據局部環境的光線水平進行調整。這種調整發生在單個神經元的層級上。然而，這種適應是不完全的。色彩適應也受到大腦內過程的調節。 對猴子的研究表明，色彩敏感度的變化與小細胞外側膝狀體神經元的活動相關。顏色恆常性可能既歸因於個別視網膜細胞的局部變化，也歸因於大腦中更高層級的神經過程。

條件等色

條件等色（Metamerism），即在兩個獨立場景中感知顏色，有助於為顏色恆常性的研究提供資訊。研究表明，當呈現相互競爭的色彩刺激時，空間比較必須在視覺系統的早期階段完成。 例如，當以雙眼分視方式向受試者呈現刺激——一組顏色與一個無彩色（如灰色），並要求他們專注於陣列中的特定顏色時，該無彩色看起來會與雙眼觀看時有所不同。這意味著與空間比較相關的顏色判斷，必須在 V1 單眼神經元或更早的階段完成。如果空間比較在視覺系統的後期（如 V4 皮層區）發生，大腦將能夠像雙眼觀看一樣，同時感知到顏色與無彩色。

Retinex 理論

「蘭德效應」是指僅憑觀看同一場景的黑白透明片疊加影像，就能看到全彩影像的能力，其中一張透明片透過紅色濾鏡拍攝，另一張透過綠色濾鏡拍攝，並分別用紅光和白光（或甚至用兩種不同波長的黃光）照明。此效應由埃德溫·H·蘭德發現，當時他正試圖重現詹姆斯·克拉克·馬克士威早期的全彩影像實驗。蘭德發現，即使只用黃光照射疊加的影像，視覺系統仍然能感知到完整（儘管較為柔和）的色彩範圍。蘭德在 1959 年一篇《科學美國人》的文章中描述了此效應。1977 年，蘭德在另一篇《科學美國人》的文章中描述了廣義的蘭德效應，並由此提出了他的「Retinex 理論」，以解釋他所認為的人類色彩視覺的主要基礎。「Retinex」一詞是「retina」（視網膜）和「cortex」（皮層）的混合詞，暗示眼睛和大腦都參與了處理過程。

廣義的蘭德效應可透過以下實驗證明：一個由許多色塊組成的、被稱為「蒙德里安」的顯示器（因其與皮特·蒙德里安的畫作相似而得名）被展示給一個人。該顯示器由三盞白光照亮，一盞光透過紅色濾鏡投射，一盞透過綠色濾鏡，還有一盞透過藍色濾鏡。此人被要求調整光的強度，使顯示器中的某個特定色塊呈現白色。實驗者接著測量從這個呈現白色的色塊所反射的紅、綠、藍光的強度。然後，實驗者要求此人辨識鄰近一個色塊的顏色，例如，一個看起來是綠色的色塊。接著，實驗者調整光線，使得從綠色色塊反射的紅、藍、綠光強度與最初從白色色塊測得的強度相同。此人表現出顏色恆常性，即綠色色塊繼續呈現綠色，白色色塊繼續呈現白色，所有其餘的色塊也繼續保持其原有的顏色。

蘭德與約翰·麥肯還開發了一個電腦程式，旨在模仿被認為在人體生理學中發生的 Retinex 過程。顏色恆常性是電腦視覺中一個理想的特性，許多演算法也為此目的而開發，其中包括數種 Retinex 演算法。這些演算法接收影像中每個像素的紅／綠／藍值作為輸入，並試圖估計每個點的反射率。其中一種演算法的運作方式如下：首先確定所有像素中最大的紅色值 r_max，以及最大的綠色值 g_max 和最大的藍色值 b_max。假設場景中包含能反射所有紅光的物體，以及（其他）能反射所有綠光的物體，還有能反射所有藍光的物體，那麼便可以推斷出照明光源可用 (r_max, g_max, b_max) 來描述。對於每個值為 (r, g, b) 的像素，其反射率被估計為 (r/r_max, g/g_max, b/b_max)。蘭德和麥肯提出的原始 Retinex 演算法使用了此原理的局部化版本。

儘管 Retinex 模型至今仍在電腦視覺中廣泛使用，但實際的人類色彩知覺已被證明要複雜得多。

參見

• 色彩適應
• 記憶色效應
• 陰影與高光增強
• 三色視覺
• 四色視覺
• 色彩論

參考文獻

Retinex

此處「重印於 McCann」指 McCann, M., ed. 1993. Edwin H. Land's Essays. Springfield, Va.: Society for Imaging Science and Technology.

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外部連結

• 顏色恆常性 – McCann
• 顏色恆常性 – 光源估計
• Retinex 影像處理
• 透過偏微分方程與傅立葉轉換實現的 Retinex，附有程式碼與線上展示
• BBC Horizon 21x08《色彩概念》1985

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