“光色融合”調(diào)色模式的理論模型*

引言

調(diào)色看似是藝術(shù)創(chuàng)作與設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域中的一個基礎(chǔ)表現(xiàn)技能,在具體的藝術(shù)創(chuàng)作實踐中,調(diào)色通常是在“加光加色”或“減光減色”間選擇一個相對獨立的模式來操作的。但是當(dāng)“有色光”照射在物體表面的“固有色”上時，如何才能準確把握受體對這一色彩現(xiàn)象的真實感知，卻是一個非常具有挑戰(zhàn)性的課題。由于缺少有效的調(diào)色工具和應(yīng)用方法，創(chuàng)作者一般需要大量的經(jīng)驗積累才能把控這一色彩現(xiàn)象，或者因為效果并不理想干脆放棄了一個可能充滿驚喜的創(chuàng)作方向。因此，建立“光色融合”的調(diào)色模式，對于拓展色彩藝術(shù)創(chuàng)作的理念，豐富色彩設(shè)計的實踐手段顯然具有非常現(xiàn)實的意義。而這首先要從對“光色融合”調(diào)色模式的理論研究開始。

一 光色共構(gòu)

現(xiàn)代科學(xué)研究表明“色彩”事實上是人類大腦對于各種客觀存在的有著特定波長光線物質(zhì)的主觀感知1Leonard Shlain,Art & Physics: Parallel Visions in Space,Time & Ligh,Quill,1991,p.19.。因此，無論是光源自身投射的“有色光”，還是物體表面的“固有色”，其實都是由特定波長構(gòu)成的“光”來引發(fā)我們的色彩知覺的。只不過我們通常所以為的物體表面的“固有色”，正是由其所能折射、反射、透射或衍射的“光”來決定的。

而“光”“白光”“色光”“有色光”“可見光”與物體表面色料的“反射光”，乃至人體肉眼“不可見的光”的構(gòu)成本質(zhì)上都是基于特定頻譜和波長的電磁輻射[Electromagnetic radiation]，即“光色共構(gòu)”。

它們在物理構(gòu)成上有著共同的屬性，只是在電磁輻射的波長、頻率、數(shù)量、組合及范圍上有些差異，即使是其它人體肉眼看不見的光譜也可以通過相應(yīng)的設(shè)備將其轉(zhuǎn)譯成人體肉眼可見的電磁輻射。

圖1 電磁輻射和可見光譜

關(guān)于“光”的構(gòu)成，最初是在1666年由牛頓[Isaac Newton,1642—1726]通過三棱鏡的色散實驗來揭示的，牛頓通過這一實驗推斷出白光是由不同的色光混合而成的。牛頓講的這種白光，在現(xiàn)代物理學(xué)中通常是指在紅外線和超紫外線之間的可見光譜[Visible spectrum]，波長通常在400—700納米[nm]之間的光波（圖1）。在理想的實驗室條件下，可見光定義可以拓展至380-800納米。而在某些條件下，有些人可以看到波長高達1050納米的特殊脈沖激光的紅外線，有些兒童可以看到約310-313納米波長的紫外線。2David K.Lynch and William Livingston,Color and Light in Nature,Cambridge University Press,2001,p.231.

因此，根據(jù)CIE（國際照明委員會）公布的國際照明詞匯，光被定義為：“任何能夠直接引起視覺感知的輻射。”它是人眼可見的光譜區(qū)段之和，是能夠直接被人類自身的視覺系統(tǒng)所感知到的電磁輻射。

但是，在自然科學(xué)的語境下，“光”[Light]的范疇其實要遠遠大于我們?nèi)粘？梢姷墓狻Ｔ谖锢韺W(xué)中，光有時可以指任意波長的電磁輻射，而不管其是否可以被看見。3Gregory Hallock Smith,Camera lenses: from box camera to digital,SPIE Press,2006,p.4.電磁輻射按波長的長短依次可以分為無線電波[Radio waves]、微波[Microwaves]、紅外線[Infrared]、可見光、紫外線[Ultraviolet]、X射線[X-rays]和伽馬射線[Gamma rays]。而到目前為止人類肉眼可識別的可見光的輻射范圍也只占到人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電磁輻射中很小的一部分（圖1）。

人體視覺系統(tǒng)可以辨識可見的光譜，從而用我們熟知的色彩語言來解讀人體肉眼看不見的光，其它電磁輻射的發(fā)現(xiàn)與命名也多是相對于可見光譜的。

圖2 熱圖像（左）和普通照片（右）的比較。在長波長的紅外線作用下大部分塑料袋是透明的，但是男人的眼鏡則是不透明的。

1800年，德國的天文學(xué)家弗里德里希·威廉·赫歇爾[Frederick William Herschel,1738—1822]爵士發(fā)現(xiàn)了紅外線輻射。由于最開始發(fā)現(xiàn)它與較高的溫度有著直接的關(guān)系，故將其命名為“熱射線”[heat rays]。

在紅外線被發(fā)現(xiàn)的一年后，德國物理學(xué)家約翰·威廉[Johann Wilhelm Ritter,1776—1810]就發(fā)現(xiàn)了紫外線輻射，盡管當(dāng)時他將之稱為“氧化射線”[oxidizing rays]，以強調(diào)其化學(xué)反應(yīng)性，以便與熱射線（紅外線）區(qū)分開來，但此后不久，“化學(xué)射線”[chemical rays]這個更簡單的術(shù)語被采用，并且在整個19世紀都廣為流行。但是基于對整個光譜頻率次序的考量，特別是相對于可見光譜波段的位置，化學(xué)射線和熱射線這兩個術(shù)語最終分別被紫外線和紅外線所替代。

1895年11月8日德國物理學(xué)教授威廉·康拉德[Wilhelm Conrad R?ntgen,1845-1923]意外地發(fā)現(xiàn)了X射線，1895年他提交了第一篇關(guān)于X射線的論文給烏爾茨堡的[Würzburg's]《物理醫(yī)學(xué)學(xué)會雜志》[Physical-Medical]。隨著法國化學(xué)家和物理學(xué)家保羅·維拉德[Paul Ulrich Villard,1860—1934]在1900年研究鐳輻射時發(fā)現(xiàn)了伽馬射線，以及一系列其它人體視覺系統(tǒng)無法直接讀取到的電磁輻射被相繼發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)意義上“光”的范圍被不斷擴大和細分。這其實也極大地拓展了“光”在藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的認知范疇?；凇肮馍矘?gòu)”的科學(xué)事實，以人體視覺系統(tǒng)可感知到的色彩語言為介質(zhì)，在不同波長電磁輻射間進行不可見光譜與可見光譜的轉(zhuǎn)譯，人體肉眼也就可以直接解讀這些不可見的“光”了（圖2）。

圖3 阿爾·哈?！豆鈱W(xué)》書影

圖4 阿爾·哈桑描繪的人眼結(jié)構(gòu)，關(guān)于視覺交叉的描述。藏于伊斯坦布爾清真寺圖書館

二 光色同感

現(xiàn)代科學(xué)長期共同研究的成果表明，我們所看見的色彩并不是簡單的有著不同波長光線的物理作用，也不僅僅是在眼睛中就完成的光學(xué)現(xiàn)象，而是人類的感知系統(tǒng)對外界刺激所作出的一系列復(fù)雜的生理反應(yīng)?；凇肮馍矘?gòu)”的物理事實，當(dāng)外界不同波長的電磁輻射信號進入人眼后，人體視覺系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為人腦可以辨識的生理信息，從而被我們所感知。因此，所謂的“光感”與“色感”，是同時在人腦中產(chǎn)生的，即“光色同感”。

阿爾·哈桑[Hasan Ibn al-Haytham,965—1040]被認為是第一個科學(xué)的解釋了整個視覺現(xiàn)象過程的人，也是第一個指出視覺現(xiàn)象是發(fā)生在大腦而不是眼睛中的人。4Peter.Adamson,Philosophy in the Islamic World: A History of Philosophy Without Any Gaps,Oxford University Press,2016,p.77.這位阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家、天文學(xué)家和物理學(xué)家在其寫于公元1011—1021年間，最有影響力的著作《光學(xué)之書》[Book of Optics](圖3、圖4)中清晰的描繪出了人體視覺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

在哈桑提出他的視覺感知原理十個多世紀之后，科學(xué)界基本認同了先由眼睛接收電磁輻射（光色共構(gòu)的）信號，再由視覺系統(tǒng)進行生物光電信息轉(zhuǎn)譯的光色感知過程。而這一過程又可以分為兩段學(xué)說和二元學(xué)說，即三基色（紅綠藍）與對比色(紅/綠、黃/藍、黑/白)的前后兩段學(xué)說，以及感光神經(jīng)元與感色神經(jīng)元的二元學(xué)說（圖5、圖6）。

圖5 視覺系統(tǒng)包括眼睛以及通往視覺皮層和大腦其他部分的連接。

圖6 圖像在視覺系統(tǒng)中分解的示意，直到簡單的皮質(zhì)細胞。

兩段學(xué)說中前段的三基色理論最初是由英國的博學(xué)家和醫(yī)生托馬斯·揚[Thomas Young,1773—1829]在1801年首次提出的，這一理論在19世紀中期由德國醫(yī)生和物理學(xué)家赫爾曼·馮·赫爾姆霍茲[Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,1821—1894]進一步完善，成為被大多數(shù)人所認同的三基色學(xué)說，即在人的視覺系統(tǒng)中普遍存在著三種視錐色素，分別負責(zé)感知紅色 (R/長波電磁輻射)、綠色 (G/中波電磁輻射)和藍紫色 (B/短波電磁輻射)。但是三基色視覺感知理論僅適用于在光線直接刺激下的感光假說。

而后段的對比色理論是由德國生理學(xué)家卡爾·埃瓦爾德·康斯坦丁·黑靈[Karl Ewald Konstantin Hering，1834 － 1918]在1892年提出的。即光與色是同時被人的視覺系統(tǒng)所感知。該理論認為在人的視覺系統(tǒng)中存在著一些相互對比的感官細胞，它們分別對應(yīng)紅綠，黃藍以及光的明暗程度（黑白），并將感知到的光輻射信號轉(zhuǎn)譯為可被視覺系統(tǒng)解讀的生物光電信息。

二元學(xué)說則認為在人的視覺系統(tǒng)中，光感（明暗）和色感（顏色）是分別基于負責(zé)感光的視桿細胞[Rod cell]和負責(zé)感色的視錐細胞[Cone cell]的特定機能而形成的。因為人眼視網(wǎng)膜上這兩類細胞中的光敏色素模式被激發(fā)，將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為神經(jīng)脈沖，以刺激到神經(jīng)并由大腦相應(yīng)的各個部分并行處理，從而形成大腦對外部環(huán)境的視覺感知。

但是，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與解剖學(xué)卻發(fā)現(xiàn)，這兩種細胞的功能并不是簡單的感光與感色的分工。雖然視錐細胞對光的敏感度不如視網(wǎng)膜中的視桿細胞（支持低光照條件下的視力）對光的敏感，但可以對強光作出反應(yīng)，并能在日光照射下具有高艷度的視覺/明視覺[photopic vision]分辨率。視錐細胞具有不同的光譜靈敏度，可以響應(yīng)不同波長的光，在正常的人類視覺中，視錐細胞的光譜靈敏度分為三種亞型，通常是分別對應(yīng)長波（紅色）、中波（綠色）或短波（藍色）。這三種不同類型的光敏素對不同的光頻率范圍做出反應(yīng)，這種差異使視覺系統(tǒng)能夠計算出所感受到的色彩。正是這三種錐體對不同波長光的敏感性也不同，所以人體光色感知的范圍也會受到光環(huán)境狀況的制約，這也可以為“浦肯野效應(yīng)”做出生物學(xué)上的解釋，該效應(yīng)是指人眼在明視覺環(huán)境趨向?qū)﹂L波（紅色）更敏感，而在暗視覺環(huán)境時，趨向于對短波（藍色）更敏感的生理現(xiàn)象。5J.K.Bowmaker & H.J.Dartnall,“Visual pigments of rods and cones in a human retina”,Physiol.Vol.298,(Jan.,1980),pp.501-511.https://doi.org/10.1113/jphysiol.1980.sp013097

二元學(xué)說還面臨著更大的挑戰(zhàn)，1923年美國遺傳學(xué)家克萊德·埃德加·基勒[Clyde Edgar Keeler，1900－1994]首先在小鼠的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了既不是視桿細胞，也不是視錐細胞的第三種視覺神經(jīng)元的存在，即中樞光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞[Intrinsically photosensitive retinal ganglion cells / ipRGCs],也稱為光敏視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞[photosensitive retinal ganglion cells /pRGC]，或含有黑素的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞[melanopsin-containing retinal ganglion cells/mRGCs]。2008年法漢·扎伊迪[Farhan H.Zaidi]在《當(dāng)代生物學(xué)》[Current Biology]的社論、評論和發(fā)給科學(xué)家和眼科學(xué)家的郵件中宣布，他及同事最終在人身上發(fā)現(xiàn)了既非視桿細胞，也非視錐細胞的光感受器[non-rod non-cone photoreceptor]，這表明人體視網(wǎng)膜中并不是只有視桿細胞和視錐細胞這兩種感光神經(jīng)元。6R.Vangelder,“Non-Visual Photoreception: Sensing Light without Sight”.Current Biology,Vol.18,(Jan.,2008),p.38.

所以，關(guān)于人體視覺感知機制已有的科學(xué)研究成果表明，無論是兩段說，還是二元說，尚都存在著突破、完善甚至顛覆的可能。但可以肯定的是，在電磁輻射（光色信號）刺激到眼睛后，經(jīng)過了一系列復(fù)雜的生物光電信號的轉(zhuǎn)譯，這些信息最終被大腦的視覺皮層所接受，從而形成了我們對于外界環(huán)境的整體視覺感知。而且，在以英文為主要通用語言的自然科學(xué)語境下，“Optical”（光學(xué)的）就來源于希臘語“optein”，即英語的“seeing”（看），所以在英文中，“Optical”在某種程度上指的就是“Visual”（視覺）。例如在當(dāng)代西方科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)還是普遍用“Optical illusion”來表述“Visual illusion”（視錯覺）的概念。而其中“Optical”就是“視覺”的意思。

因為對于光色的感知最終形成于觀察者個人的頭腦中，而個體的生活環(huán)境、生理機能、認知水平和文化素養(yǎng)也不可避免地會對光色感知的效果產(chǎn)生影響，故“客觀地說”，任何光色感知又都是“主觀的”。因此，“光色同感”還具有一定的人文主義意味，特別是在結(jié)合了約翰·沃爾夫?qū)ゑT·歌德[Johann Wolfgang von Goethe,1749—1832]的《色彩論》[Theory of colours]來理解的情況下。

基于大量的觀察實驗，歌德的色彩理論著重探討了人類在感知色彩現(xiàn)象時的復(fù)雜性。如果說牛頓試圖為光的構(gòu)成開發(fā)出數(shù)學(xué)模型的話，那么歌德則專注于探索人如何在各種條件下去感知色彩，并試圖去理解人腦解析色彩的方法，如現(xiàn)代認知科學(xué)關(guān)于顏色恒定性［Color constancy］的發(fā)現(xiàn)，以及埃德溫·H·蘭德［Edwin H.Land］7美國的科學(xué)家和發(fā)明家，寶麗來公司的聯(lián)合創(chuàng)始人。他發(fā)明了用于偏振光的廉價濾光片，相機內(nèi)即時攝影的實用模式以及彩色視覺的retinex 理論等。的“retinex”理論8“retinex”一詞由“ retina[視網(wǎng)膜]”和“ cortex[皮層]”構(gòu)成，表明眼睛和大腦都參與了該過程。都與歌德的色彩理論有著驚人的相似之處。9Neil Ribe and Friedrich Steinle,“Exploratory Experimentation: Goethe,Land,and Color Theory”.Physics Today,Vol.55,(July.,2002),pp.43-49.顏色恒定性這一視覺感知過程，可以使大腦能夠?qū)⑹煜さ膶ο笞R別為一致的顏色，而不管給定時刻從該對象上反射光數(shù)量或波長的變化。所以，“光色同感”不僅是指人體視覺機制對于光色感知的相關(guān)性，還指人體視覺對光色感知的相對性。

總之，人體大腦在感知、處理和理解由外界輸入的光色信號（電磁輻射）的時候，雖然會有相應(yīng)的感官組織以應(yīng)對，但并不會將“光感”與“色感”截然區(qū)分開來，即“光色同感”具有生物學(xué)和認知科學(xué)共同解釋的基礎(chǔ)。

三 光色協(xié)調(diào)

基于人體“光色同感”的視覺生理機制與自然界中“光色共構(gòu)”的物理事實，從色彩藝術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā)，創(chuàng)作者可以根據(jù)最終預(yù)期的視覺感知效果對所有可以投射入人眼的“光色”進行整體的協(xié)調(diào)。

具體的“光色協(xié)調(diào)”原理可以從對同色異譜[Metamerism color]現(xiàn)象的解析來展開，以前文中所提人體視覺系統(tǒng)中的三基色學(xué)說為例，人眼中含有紅綠藍[RGB]三種顏色的受體，這意味著所有顏色都可以概括為三種不同顏色配比的感覺量，即三刺激值。而每種類型的視錐細胞都對一定波長范圍內(nèi)的光譜輻射能量做出響應(yīng)，這也意味著，即使是一些不同波長組合的光也可能產(chǎn)生同等的受體響應(yīng)和相同的三刺激值，從而產(chǎn)生同等的色覺。在比色法中，同色異譜是對具有不同（不匹配）光譜功率分布[Spectral power distribution]的顏色進行匹配。光譜功率分布描述了顏色樣本在每個可見波長發(fā)出（發(fā)射，透射、衍射或反射）的總光的比例，它定義了有關(guān)來自樣品的光的完整信息。因此，嚴格意義上講，所有顏色的復(fù)制過程（例如攝影、電視、印刷和數(shù)字成像）的底層邏輯，都是因為能夠?qū)υ嘉锵竦纳蔬M行同色異譜的匹配。

表1 “光色融合”調(diào)色的理論模型，作者自繪

所以，如果想通過調(diào)色獲得特定的色彩感知效果，可以基于同色異譜現(xiàn)象，對不同波長的光進行同譜異構(gòu)的協(xié)調(diào)組合：一方面，可以對直接被受體響應(yīng)的光譜的構(gòu)成進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，即對色光進行“加光加色”調(diào)色；一方面，可以對標準光源下物體表面物料的成分進行調(diào)節(jié)，即對色料進行“減光減色”調(diào)色；另外還可以對物體表面所反射的光譜構(gòu)成進行綜合調(diào)節(jié)，即通過對照亮物體表面色光的光譜功率分布與色料自身的光譜反射比進行雙向調(diào)節(jié)，也就是通過“光色協(xié)調(diào)”以達到“光色融合”的調(diào)色效果（表1）。

雖然同色異譜匹配現(xiàn)象非常普遍，尤其是在接近中性（灰色）或深色色域的情況下。但是隨著色彩變得更亮或更鮮艷，對不同組合波長的光進行同譜異構(gòu)[Isomerism]匹配的可能范圍就會變小，尤其是在來自物體表面反射光譜的色彩中。因為僅用物體表面材料進行同色異譜匹配會很復(fù)雜，物體表面顏色的外觀由其外觀材料的光譜反射率曲線與照在其上的光源的光譜發(fā)射率曲線的乘積定義。所以，物體表面的顏色不僅取決于其自身色料的光譜反射比[Spectral reflectance]，更取決于照亮它們的色光的光譜功率分布。

由此可見，傳統(tǒng)的“加光加色”或“減光減色”都是相對獨立的調(diào)色模式，這難免會對調(diào)色提出了某種限定的條件，調(diào)色維度比較單一。特別是對物體表面的色彩面貌進行處理時，往往需要先限定標準光源，再從物體表面色料的構(gòu)成出發(fā)來考慮調(diào)色的效果。而本文提出的“光色融合”調(diào)色模式則更具有靈活性，可以在“色光”與“色料”兩個層面上來整體考慮影響物體表面反射光譜的構(gòu)成方式，并通過“光”與“色”的協(xié)調(diào)配比來達到物體表面反射光譜的同譜異構(gòu)，以使受體感知到特定的色彩效果，從而形成“光色”雙向調(diào)色的維度和“光色融合”的調(diào)色效果。

四 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的“加光”色混和“減光”色混調(diào)色模式的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了“光色融合”的調(diào)色概念，并完成了對這一調(diào)色模式理論模型的建構(gòu)。藝術(shù)設(shè)計視角下的“光色協(xié)調(diào)”應(yīng)用是“光色融合”調(diào)色模式研究的出發(fā)點，人體視覺感知機制的“光色同感”是“光色融合”調(diào)色模式運作的生理基礎(chǔ)，而基于物理事實的“光色共構(gòu)”則是“光色融合”調(diào)色模式建構(gòu)的科學(xué)依據(jù)。

在色彩表現(xiàn)技術(shù)迅速發(fā)展，特別是對色光的控制愈加便捷的當(dāng)下，對“色光”與“色料”進行綜合表現(xiàn)的手法也愈加被藝術(shù)設(shè)計創(chuàng)作者所關(guān)注，“光色融合”調(diào)色模式的研究就是對光色綜合設(shè)計的可能性和可行性進行探索。當(dāng)然，本文只是從理論層面探討了“光色融合”調(diào)色模式的可能性，目前的成果還不足以支撐起光色綜合設(shè)計應(yīng)用與藝術(shù)創(chuàng)作實踐的可行性，尚需具體的“光色融合”調(diào)色工具的開發(fā)與相關(guān)“光色融合”調(diào)色實驗的驗證，而這也正是本題后續(xù)深化研究的方向。