如果我们看到颜色是因为物体反射了那种颜色的光，那么物体到底是什么颜色？

我引用我之前写的一篇关于颜色的文章作为回答，你还可以进入专栏“计算摄影学”，了解更多颜色的知识

我们在生活中见过、听过各种各样的颜色，我们平常用的各种数码软件也能够呈现出丰富多彩的颜色，在输入字符时还可以调整各种颜色，颜色对我们来说是似乎非常自然的事物，但你有没有像我一样思考过颜色是什么？我们看到的颜色和动物看到的颜色一样吗？为什么不同的物体呈现出不同的颜色？颜色是如何测量的？我们经常听说的RGB颜色空间是怎么回事？同样的物体，在不同的光照下有时候看起来颜色不太一样是怎么回事？

因为颜色跟计算摄影的主题高度相关， 所以我希望能够通过一些文章来回答这些问题。颜色跟视觉系统高度相关，所以首先让我们来看看人类的视觉系统

一、人类的视觉系统与颜色

这幅图展示了人眼的结构示意图，这是一个非常复杂的光学成像系统。在视觉系统中，视网膜是一个超级重要的组件，起到了承上启下的作用。在视网膜表面以前，是一个个单独的光感细胞在进行光信号的搜集，人类的感知系统还没有介入，据估计光感细胞的数量在1.3亿左右。你可以粗略的认为从角膜到视网膜的表面构成了一个1.3亿像素的数码相机。而视网膜光感细胞内部则形成了复杂的连接，有趣的是，视神经由大约一百万根纤维组成，携带着大约1.3亿光感受器产生的信息，因此从光感细胞到视神经纤维信号经过了极大的、人类现在还没有完全理解的压缩过程。下图是一个视网膜的结构示意图：

对于颜色这个主题，我们现在首先关注的就是光感细胞。大家可以从上图看到很明显有两种类型的光感细胞：

在低亮度水平时，只有视杆细胞发挥作用，而在高亮度水平时则是视锥细胞发挥作用，在中间亮度水平时，两者都会同时工作。 但最关键的一点是，视杆细胞只有1种，对感知颜色没有贡献，但是视锥细胞则有3种，这3种细胞对不同波长的光的响应程度是不一样的, 下图展示了3种视锥细胞（这里我们命名之为L/M/S）对不同波长的光的相对响应值，正是如此才导致了人类产生各种颜色的感觉。

二、可见光，以及功率谱分布

我们目前对光和颜色本质的理解可以追溯到牛顿的工作。在讨论对象时，通常会说它们具有某些颜色。例如，天空可以被描述为蓝色，苹果被描述为红色，草被描述为绿色。然而，在现实中，没有观察者就没有颜色；因此，将颜色归因于对象并不是严格准确的。牛顿在其文章中很早就阐明了这种想法，“正确地说，光线不是有色的；在它们里面，没有别的什么，只有某种力量和倾向来激起对这种或那种颜色的感觉。”因此，准确地说，来自天空的光不是蓝色的，而是在观察者看到时唤起蓝色的感觉。

那么如果光线里面并没有“颜色”这种属性，那么我们用什么来描述光线呢？牛顿发现阳光能够被分解为不能进一步分解的单色光。

因此，光的物理特征在于它的光谱成分。因此我们通常采用光谱功率分布(SPD)的表征光，它表示光中不同波长的单色光的相对能量分布，下图展示了常见光源的SPD：

不同颜色的物体反射的光线也具有不同的SPD：

光谱功率分布如此与颜色高度相关，我们可以利用这个概念对人类的颜色视觉进行进一步建模。

三、人类的颜色视觉

人的视觉系统在感知颜色时是有层次的，下图展示了这种层次结构。

人们对视觉系统的深层次机理还有很多未知的地方，但是对视网膜颜色已经有了深入的理解，视网膜本质上是一个传感器，而光传感器对不同波长的光的敏感度用光谱敏感度函数f()来描述，这样一个光源造成的响应R可以描述为：

它实际上是光源中各个单色光的响应的加权和。当用

而这些响应可以用一个具有3个元素的向量c来描述，它就是我们所说的“视网膜颜色”

有趣的是，不同SPD的光，可以得到同样的视网膜颜色。这使得我们测量颜色时有了更多的挑战和困难。比如下面展示了两个不同的光谱功率分布，一个来自生菜，一个来自绿茶，但是在观察者看来都是同样的绿色。

我们可以认为视网膜颜色空间是一个3维的颜色空间，我们称之为LMS颜色空间。任何一种纯色光在这个3维空间中都有对应的坐标，我们可以画出这些坐标，并从不同的角度去观察画出的曲线：

可以观察到这条曲线呈套索状，并位于3维空间的第一象限，它的起始点和终点都是原点，并且除了原点之外都与M轴无交点。

上面的曲线假设输入的纯色光是单位强度的，那么如果强度有变化呢？此时的曲线的样子是下面这样的，可以看到我们得到的颜色坐标位于一个凸面上。

如果是由多种不同强度不同波长纯色光混合而成的光呢？此时它的颜色坐标则会位于这个凸面包裹的范围之中：

四、其他人类视觉系统和颜色的知识

这里我记录了一些有趣的人类视觉系统与颜色相关的知识：

• 晶状体会随着年龄的老化而变得越来越黄，这会导致它比年轻时吸收更多的蓝色光。如果一个物体是紫色的，那么其中的蓝光被吸收会导致老年观察者比起年轻观察者更倾向于认为这个物体偏红。
• 如果晶状体在水平和垂直方向的曲率不一样，会导致散光。散光的一个结果是，在视网膜上，水平边缘将始终显示彩色条纹，色差，而垂直边缘将显示不同颜色的条纹
• 晶状体还会吸收入射的紫外线(295nm到400nm之间）的光波，尽量减少它们到达视网膜。但很少一部分吸收的光能会以新的波长重新发射出来，形成眩光。年轻人的晶状体的发射比例很少（例如30岁时入射的天空光的再发射比例约为0.002），但约到老年，这种再发射比例越高（有报道指出60岁时会达到了0.017，80岁时会达到0.121）。这会导致老年人观察偏紫色物体时会感觉到眩光。
• 视网膜后面是一层被称为色素上皮的层。这个深色的色素层用来吸收任何恰好通过视网膜而不被光感受器吸收的光。色素上皮的功能是防止光线通过视网膜散射回来，从而降低感知图像的清晰度和对比度。夜间活动的动物的视觉系统放弃了图像质量的改善而将光反射回来，以便为其光感细胞提供第二次吸收能量的机会。这就是为什么鹿或其他夜间活动的动物的眼睛在迎面而来的汽车的前灯下看起来会发光。
• 视网膜的中心凹是视锥细胞最集中的区域，这里有一层黄斑(Macula)保护视网膜的这一关键区域避免强烈暴露于短波光线中。由此它还减少了短波光的色差，而这种色差会导致图像严重失焦。
• 人类的暗视能力取决于视杆细胞，而它对蓝色光更加敏感。因此在非常暗的环境下观察物体时，蓝色物体会显得较亮，而红色物体则几乎接近黑色。
• 眼见不一定为实，由于视觉系统各种复杂的色调自适应性，我们经常会出现错误的判断，例如下图中A、B两个格子具有同样的颜色值，但我们却倾向于认为它们是不同的颜色：

五、总结

在这篇文章中，我介绍了与人类视觉系统感知颜色相关的一些知识，为进一步阐述计算摄影学中与颜色相关的知识打下一些基础，希望对你有帮助。也请期待后面我对颜色这一与计算摄影相关的重要主题的更多文章。

六、参考资料

此次的文章参考资料较多，包括了：

1. Fairchild, “Color Appearance Models,” Wiley 2013.
2. Michael Brown, “Understanding the In-Camera Image Processing Pipeline for Computer Vision,” CVPR 2016
3. CMU 2017 Fall Computational Photography Course 15-463, Lecture 11
4. Gortler, “Foundations of 3D Computer Graphics,” MIT Press 2012.

这个回答会比较长，如果想了解清楚，请耐心阅读。

我们人类看到某种颜色，有一个专用词：色觉。而构成色觉有三个基本要素，分别是：光、物体、眼睛。这三要素任何一项不存在，我们都看不到色彩（只能梦见）见下图：

你在问题描述里，也提到了我们看到色彩，是因为物体反射自然光/人造光，反射光到达人的眼睛，被接受，然后大脑解读，也就是下图：

这些只是基本的色彩构成知识，但是，要这样要回答你的问题，会有点偏题。为此，我梳理了一下你的几个主要的问题：

1、物体到底是什么颜色？

2、有色光和无色光照射同一件物体，呈现的颜色是不同的。而你由此推导提问这个颜色到底是真实存在的，还是大脑的幻象。

3、这个世界有颜色之说嘛？

回答你这三个问题，或许先要从建立在自然科学的基石上，逻辑学的角度去看。

1、物体是什么颜色，要有色觉三要素作为大前提（定义），如果偏离了这个大前提（定义），物体的颜色是不能成为结论的。我们用一个简单的三段论来分析：

我们看到物体的颜色，是因为物体反射的光。

桌上的苹果反射了红色的光居多。

所以我们看到桌上苹果是红色的。

在这个推论里，我们作为主体，是不考虑特例（红绿色弱或者我们不是人）这种情况的，不然推论是不成立的。因为红绿色弱眼中的红色，或许是某种色（因为我不是色弱，无法描述）

现在问题来了，物体到底是什么颜色？其实，我们要有前提和定义，才能给出物体在这些前提下是什么颜色的结论。如果没有这些前提和定义，去对一个物体是什么颜色做出结论，是不符合逻辑推理的。

所以，回答第一个问题：某个物体是什么颜色，必须基于一定的前提和定义，这个颜色才能成立。

2、有色光和无色光去照射同一个物体，呈现颜色是不同的。当然是不同，因为色觉的三要素里，我们人眼看到颜色，是因为光的不同，而你用用色光和白光这两种不同的光去照同一个物体，表现出不同的色觉那是自然的。这些理所当然的东西，也不是你后面的问题：颜色到底是真实存在，还是大脑的幻象的起因或者前提。

另一方面，在色彩学中有一个专用词，色彩恒常（色适应）。好比你去KTV，被红彩灯打在身上，我们不会认为你的衣服就是红色的，而是知道你本来穿的衣服的颜色。之前白金蓝黑的视错觉在互联网上热闹了一阵子，其实与各自的色彩恒常识别力有一定的关系。

所以，关于色彩到底是幻象，还是真实存在的。这个问题的关注点，在于是唯物还是唯心而已，色彩的构成是唯物存在的，肯定不是幻象。我们的大脑或许会欺骗我们，但是我们不能因为被大脑欺骗，就怀疑这个世界唯物的本质。比如下图的错视觉：

出现错视觉，只是因为大脑的处理不了，但是我们不能因为这个，就反推出这些是幻象。

3、这个世界有颜色之说嘛？当然有颜色，对于人类来说，我们定义了人类文明的颜色。颜色的这些定义或者概念，是构成色彩逻辑的基本。

或许，你是想探索世界的本质，这个出发点很好，不过在科学探索的道路上，我们不能落入唯心的陷阱里。唯物主义和逻辑推理，是科学地去探索世界的基本工具。