实  验  心   理   学
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实 验 心 理 学. 盐 城 师 范 学 院 YANCHENG TEACHERS UNIVERSITY. 全国高等师范院校. 第五章 视觉实验. 第一节 视觉研究中的各种变量 第二节 视觉适应和视觉敏度 第三节 闪烁融合频率 第四节 颜色视觉 第五节视觉研究中的典型测量方法及其特点. 视觉的重要性.

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Presentation Transcript

实 验 心 理 学

盐 城 师 范 学 院 YANCHENG TEACHERS UNIVERSITY

全国高等师范院校


第五章 视觉实验

  • 第一节 视觉研究中的各种变量

  • 第二节 视觉适应和视觉敏度

  • 第三节 闪烁融合频率

  • 第四节 颜色视觉

  • 第五节视觉研究中的典型测量方法及其特点


视觉的重要性

  • 视觉在人类的感知过程中担负着重要的任务。人类接受的环境信息大部分是经视觉通道传入大脑中,再作出反应的。在人类的感觉系统中,视觉明显地占着主导地位。如果两个彼此矛盾的信息,一个用视觉接受,另一个通过另一感觉器官接受,这时受试所反应的一定是视觉信息。


照度与亮度

  • 人眼的适宜刺激是光。在正常情况下,可见光谱的波长范围约是在380毫微米到780毫微米之间。红色波长长,紫色波长短。可见光不仅可以用波长来度量,也可以用强度来度量。光的强度可用照在平面上的光的总量度量,这叫入射光或照度。如果用从平面反射到眼球中的光量度量光的强度,这种光就叫反射光或亮度。


照度单位

  • 最常用的照度单位是英尺烛光。1英尺烛光即在距离标准烛光一英尺远的一平方英尺平面上接受的光亮。若以米为单位,照度用米烛光表示,即1米烛光是距离标准烛光一米远的一平方米面积上的照度。1米烛光等于0.0929英尺烛光。


亮度单位

  • 亮度也有几种度量单位。以一支标准蜡烛当做光源,放在一个l公尺半径的球体的中心位置。假设这个蜡烛会均匀发散它的全部光线,那么落在球体表面一平方公尺表面积的所有光量就是1个流明(Lumen)—亮度单位。实际应用中,流明这个单位较小,所以通常取其十倍的单位——毫朗伯(millilambert)来表示。比毫朗伯更大的单位是英尺朗伯(footlambert),1毫朗伯等于0.929英尺朗伯。


视觉细胞(1)

  • 视杆细胞和视锥细胞是眼睛的光感受细胞。人类的这两类细胞中,视杆细胞的数目约为视锥细胞的18倍。在网膜的中心区域(视斑),视锥细胞占主导地位。视斑的中心就是中央凹,在这面积只有一平方毫米的区域中聚集的全是视锥细胞。晶状体将物象聚焦在中央凹上,产生最清晰的视觉投射,而此处视锥细胞与高级脑中枢一对一的神经联系加速了视觉信息的传导和整合。


视觉细胞(2)

  • 视杆细胞分布在视网膜的周边部分,自中央凹到网膜的外周视锥细胞的密度很快减少,而视杆细胞的数量同时增多。在网膜外围视杆细胞占主导地位。光线到达光感受细胞必须通过所有各层,但是在网膜的中心区域,视杆和视锥细胞前面的各层均被推到一旁,这就防止了因为受到阻挡而丧失敏锐性。结合视锥视杆细胞在网膜上的分布情况,可以认识为什么人眼的视力、运动检测能力具有如此高的敏锐性。


视觉细胞(3)

  • 据推测,在人的视网膜中有视锥细胞6.5一7百万个,视杆细胞1.1—1.2亿个,它们接受到的光信号通过约100万根视神经纤维平行传入视中枢。视神经纤维的集束处称为视盘,光线射进这个区域不落在任何感光细胞上,不产生视觉机能,因此这个区域称为“盲点”。


视觉细胞(4)

  • 视杆细胞呈细长的圆柱形,在暗处看物体时起作用,检测亮度信息。视锥细胞呈锥形,在亮处起作用,检测亮度以及颜色信息。人的色觉能够看到五彩缤纷的外部世界,一般人都能够辨认出太阳光谱中的红,橙、黄,绿、青,蓝,紫7种颜色。实际上,在周围的生活环境中能够辨别出一万三千多种深浅不同的颜色,这种能力要归功于视锥细胞。现已证明,视网膜中确实存在三种具有感色机能的视锥细胞,包含三种光谱敏感性不同的视色素。


自变量—标准刺激

  • 视觉实验中作为标准刺激的自变量是多项目多维度的。在项目上实验者可以选择的刺激有:一系列亮度,可见光谱中各段的色光;在刺激维度上可以选择的内容有:刺激的时间维度——一组具有不同频率或不同长度时间的刺激;刺激的空间维度—一组等能光的面积或不同的观视距离;在研究颜色视觉的现象时,可根据色光和颜色的组成成分对明度、色调、纯度实施3维的操纵。但是作为标准刺激,研究者必须设法使这些刺激能保持精确的定量。


自变量—背景条件

  • 背景条件也可以作为视觉实验的一类自变量,进行如是安排的条件是使标准刺激得到恒定。背景条件在视觉实验中的作用很明显,它使得可被任意操纵变更的项目内容超出标准刺激的范围。例如研究者可以设置音响条件,等等。


自变量—受试特点

  • 受试变量是指在某一方面受试者间彼此不同的持续性的特点。视敏度,辨色力是常见的个体特征。其他如年龄、机体状态在视觉实验中作为自变量都有获得显著意义的证据。


自变量—暂时变量

  • 人为地变更受试的某些特征,例如令受试用单眼或遮住鼻侧或颞侧视野,也是视觉实验中常用的自变量内容。这样的自变量是一种暂时性变量。

  • 研究者确定自变量的范围远远超过能够论述的范围。在具体实验中,任何企图选用单一纯色光的设想往往都比较困难,视觉研究的特点决定它的刺激大都以复合形式存在,针对诸如此类的问题,研究者只能结合课题灵活应付。


因变量(1)

  • 视觉实验在如何定量因变量方面不如给自变量定量来得那么精细,在大多数情况下,实验研究者记录到的因变量值相对于严格定量的刺激量值而言,都是很粗糙的,有的甚至只是一些非量化的判断反应。因此,研究者能否根据因变量推断某种视觉现象发生的过程或特点,首先取决于为保证自变量和因变量之间的对应关系而采取的措施是否有效;其次涉及如何处理因变量的技术是否适用合理。


因变量(2)

  • 刺激一反应的保证措施的关键在于控制额外变量,而后的处理工作按照因变量的性质,有的是直接的,有的是间接的。当一项实验的因变量值是定量的时候,后期处理就能直接进行。例如,有相当部分的视觉实验采用调整法程序,受试调定的量值一般都能够直接读出,但有的实验只能通过受试作口头报告表达他的比较判断结果。例如在颜色后像的研究中,由于受试根据主观经验到现象报告结果,实验者只能将这些报告汇总后进行处理,间接地获得某些数据资料。


因变量(3)

  • 但是不管用什么方式处理因变量,都必须先做好因变量的记录工作。有时候要借助计量器械才能读出受试的反应量,为了防止度量时产生偏差,记录时就要注意操作技术。实验者对记录口头报告的结果也要作出限定,一些限定有时候可以明确告诉受试用规定范围内的词汇报告自己的感觉经验,有时候要防止暗示。


控制变量(1)

  • 在心理实验中,常常因为预定的自变量的变化与另一个已知的或潜在的自变量的变化伴随发生,而造成两个甚至两个以上的自变量混淆。在视觉实验中这样的现象同样可能发生。因此,必须时时注意控制变量避免自变量的混淆。


控制变量(2)

  • 视觉变量中一个容易忽视的因素是确定刺激变量属于哪类“连续体”。已经了解到亮光在感觉上是等级连续体(量的连续体),而色光是非等级连续体(质的连续体),实验时应当注意采用不同的方法程序,否则实验结果就会发生偏差。


控制变量(3)

  • 要重视刺激时间、面积在网膜作用点产生的累积效应;刺激强度的变化是属于明视还是暗视阶段;刺激的投射点是网膜中央凹还是边缘。在颜色视觉的研究项目中,必须控制的变量更多更复杂。视觉实验的各项研究,在整个心理实验范畴中以细微、精巧著称。由于视觉系统在功能上的敏感性加上心理的复合成分,如果各种变量稍有失控,其结果是使研究者试图验明的过程动因面目全非,而这样的混淆通常不易察觉,结论就难免张冠李戴。


视觉现象

  • 视觉适应—般涉及“暗适应”和“明适应”,但新近的研究工作又指出:介于“暗适应”和“明适应”之间还存在另一类视觉现象—间视(Mesopic Vision)。


暗适应(1)

  • 从光亮处进入暗处,人眼最初什么也看不见,需经过一段时间才逐渐适应,并区分周围物体的轮廓。这种对低亮度环境的感受性缓慢增高的过程,称为暗适应。如果用白光测定,我们会发现暗适应曲线由两部分组成,表示人眼有两套适应机制。如果用红光照射中央凹检查感光阈,只得到图中上部的曲线,没有下部的曲线,这是视锥细胞的暗适应,这个过程约5分钟就基本完成。


暗适应(2)

  • 人眼对白光经过7分钟的适应以后出现进一步的感光阈降低,这是视杆细胞的暗适应,约20分钟基本完成。视杆细胞的暗适应出现慢,但适应程度很高。关于暗适应机制的解释,主要是化学反应学说。沃尔德(1944)用分光描记法确定视杆细胞中视紫红质的化学变化过程是暗适应过程的机制。视紫红质(Visual purple)是一种化学感光物质,在曝光时便破坏褪色,在暗适应中又重新合成而恢复活性。


暗适应(3)

  • 在光刺激时,视紫红质发生分解而褪色,变为视黄质。光刺激继续作用,视黄质再分解褪色,变为视白质(维生素A+蛋白质)。因此,眼睛受到的光刺激时间愈长,视紫红质分解愈彻底,反之,暗适应时视紫红质循原路线重新合成的时间也愈长,完成暗适应时间就较慢。


暗适应(4)

  • 伴随暗适应的还有瞳孔大小的变化。从明亮处进入黑暗处,在前10秒钟瞳孔扩大到最大孔径的2/3,达到完全扩大大约需要5分钟。这个过程中,瞳孔的直径由2毫米扩大到8毫米,进入眼球的光线增加10——20倍。


暗适应(5)

  • 影响暗适应的因素主要与机体有关。例如,在视网膜的不同部位测试暗适应过程,反映出来的结果有所不同,缺乏维生素A会引起暗适应机制紊乱。另外,年龄也是影响暗适应的因素,以30岁为界,30岁后暗适应的感受性就逐渐降低。克拉夫柯夫研究认为,人长期禁食缺少营养后,光感受性只达到正常状态时的1/10~1/15。


暗适应(6)

  • 一只眼睛对光的感受性可因另一只眼睛受到各种有关刺激而发生变化,如用白光刺激一只眼睛可以使另一只眼睛的敏感性提高,而用红光作用一只眼睛时却使另一只眼睛的感受性降低。在几种不同的适应光色中,只有红色光暗适应保持得最好。二次大战期间,迈尔斯据此特制一种红色护目镜。戴上这种红目镜既能使视锥细胞在明暗视场中都有较高的感受性,又能使视杆细胞相对地不受视场光线强弱的变化而保持暗适应状态。


明适应(1)

  • 人从暗处到亮处,眼睛大约经过1分钟就能适应,这是明适应。

  • 1931年布兰查德用阈限测定法揭示:视杆细胞在极端黑暗转入极端亮光的条件下,其感受性下降100万倍。1934年赖特用间接方法求得光适应曲线,发现中央凹的光适应过程很快,它暴露在光线中一分钟后就几乎全部完成。


明适应(2)

  • 眼睛适应光强度变化的范围很大,适应的亮度即刺激眼睛而不引起疼痛最强的光亮度。这个范围约达到13个对数单位,大约要比最弱的绝对阈限的光强1万亿倍。在光适应过程中,眼睛首先通过调节瞳孔大小来适应光线刺激的强弱变化。光量增加,瞳孔在3~4秒钟内就能迅速缩小以保护网膜,免使过强光线对它的损伤。与此同时,视杆细胞作用转到视锥细胞作用。


明适应(3)

  • 瞳孔的放大和缩小是有限的,但是这种调节尤如第一道关口,它的大小根据进入眼睛的光线强度变化。

  • 仅仅凭借缩小了的瞳孔还无法适应高强度的光。研究者发现在视网膜的外层还有许多黑色颗粒,它们是一些具有保护作用的物质,能减少直接作用于感光细胞的光能量。


间视

  • 间视是介于暗视和明视之间的一个视觉阶段。研究者一般认为,当光亮达到10-3烛光/平方米以上时,视锥细胞便被激发,这便是间视的表现。间视的上限是视杆细胞的饱和,它随着视野的大小而改变,但还不能真正地确定下来。现在的研究已经证明,间视阶段是视锥细胞和视杆细胞相互作用的阶段,但决不是两种细胞简单混合的结果。


视敏度

  • 视敏度是指分辨物体细节和轮廓的能力,是人眼正确分辨物体的最小维度。它通常是以找出两物体之间的最小间隔来表示,它受到物体的网膜映象、照明等因素的制约。


视角和网膜映像

  • 对象和眼睛所形成的张角,叫做视角。视角的大小决定映象在视网膜上投射的大小。

  • 计算视角时,可以把物体大小AB近似作为圆周的弧,把从节点至物体的距离Bn作为圆周的半径,用下面简便的方法计算。


视敏度测定及其特征

  • 临床上用视力表测定视敏度的方法,是以视角的倒数来表达的,其公式为:

  • V(视敏度)=1/α(视角)

  • 但是,检查视敏度的方法并非只有视力表一种。


视力表(1)

  • 临床上用的视力表属于认知类测试,通常以5米为标准的观视距离。认知类测试的“C”视标是国际通用的视标,称为“蓝道环”视标(Landolt ring)。它的规格标准是:黑线条宽度为直径的1/5,环的开口也是直径的1/5,即等于线条宽度。


视力表(2)

  • 我国目前采用“E”型视标来检查视敏度,它的黑线条宽度和空白区宽度也是全字的1/5。当视标 “C”的直径为7.5mm时,环的开口是1.5mm。在5米距离处,受试如能指出缺口方向,他的视敏度就定为0.1,这时视角约等于1分。1分视角时的网膜映象约等于0.004毫米,这个数字接近于单个视锥细胞的直径。

  • 临床上认为0.1的视敏度是正常的。有的国家规定视敏度为0.05就是“法定盲人”。


视敏度与照度的关系(1)

  • 视敏度与照度有着一种函数关系,视敏度随着不同照明强度发生变化。这种函数关系主要表现为视角越大,要求照度越低;视角越小,要求照度越高。因此,作为临床检查的手段,制定标准的照明度是必要的。运用“E”型或“C”型视标检查视力,照明的强度应当接近150勒克斯(Lux)。


视敏度与照度的关系(2)

  • 解释照明强度提高会使视敏度水平提高的现象有两种理论。一种理论认为,照明强度增强能激发越来越多的视锥细胞投入活动;另一种理论认为,照明越强,光量子越多,能激发更多的感受细胞活动。

  • 对比度、背景亮度与辨认时间有着明显的关系。空间因素也影响视敏度对曝光时间的依赖性,刺激物的面积(A)大小显然起着作用,因此必须从亮度、面积、曝光时间三因素来认识视敏度所需的能量阈限。


影响视敏度的因素(1)

  • 距离对视敏度的影响呈现一种反比关系,即距离增加视敏度下降。亮度对视敏度的影响是正比关系,亮度增加,视敏度提高。由于亮度变化范围很广,这种关系一般用对数来表达,但是亮度达到一定程度时,视敏度亦趋于稳定。对比度对视敏度的影响也是一种正比关系,即当目标与背景的对比度增加,视敏度上升,反之则下降。


影响视敏度的因素(2)

  • 暗适应时眼睛的视敏度不如明适应时的视敏度高,这是因为视杆细胞和视锥细胞功能作用的结果。


影响视敏度的因素(3)

  • 在明适应条件下,突然的强光刺激会暂时降低视敏度。这种现象称为闪光盲。闪光盲持续时间的长短与闪光强度、暴光时间、照射的网膜部位、目标大小、瞳孔和眼的适应状态都有关系。闪光盲也许是视觉功能的保护性抑制。


闪光融合频率的概念

  • 闪光融合频率是人眼对闪烁光产生融合感觉的频率,通常用频率的临界值来表达,所以又称为“闪光临界融合频率”(Critical Flicker Frequency),简称为CFF。闪光融合频率是人眼对光刺激时间分辨能力的指标,是物理刺激与生理机能相互作用的结果,是受刺激的时空因素以及机体状态制约的感觉过程。


刺激的时间特征(1)

  • 会摄影的人都知道,曝光时间的长短与光线强弱有关。如果掌握了这一原理,不仅能拍到好的照片,而且不知不觉地在运用一个基本定律:本生一罗斯科定律。这个定律是光的强度(I)和时间(T)的乘积决定它的效果。记作;IXT=C


刺激的时间特征(2)

  • 如,由于某种原因刺激强度减弱了,只要增加刺激持续时间,阈限水平仍能维持,然而刺激强度减弱到阈下水平,即使刺激时间再增加也无济于事。这时这一定律不再起作用,否则,这就意味着只要刺激时间足够,人眼对无穷小的刺激也能探察出来了。这是与实际情况相违背的。根据这个道理,马嘎利亚等人提出了“临界时间”的概念。


刺激的空间特征(1)

  • 网膜受刺激区域的大小与刺激强度之间也有乘积关系。例如,有两块面积大小不同但亮度相同的物体,看起来小的那块就不如大的那块明亮。这显然是由于入射光亮在大面积时多些,导致感觉上产生变化。这种关系首先是由里科表述的,其公式是IXA=C(A=面积,C=常数)称作里科定律。里科定律认为,网膜受刺激面积(A)越大,阈限(C)所要求的强度(I)则越小 。里科定律适用于解释受刺激的网膜范围较小时,网膜受刺激区域大小与刺激强度之间的关系。


刺激的空间特征(2)

  • 对于网膜受刺激范围和刺激强度之间的关系,最好用佩珀定律(Piper Law)来说明。佩珀定律认为,网膜受刺激的范围大小与刺激强度的关系可以用公式:IX A的算术平方根=C来表示。它说明,当强度减弱一半,受刺激的范围必须增大四倍。一般说来,里科定律最适于说明中央凹受刺激时的情况,而佩珀定律则最适合于说明网膜外围受刺激时的情况。


闪烁临界融合频率(CFF)

  • 刺激的时间和强度之间的关系并不局限于刺激仅呈现一次的情况下,眼对于一段时间内不同的强度也会作出反应,在某种刺激强度和持续的情况下,闪光被感觉为连续光。


CFF的特征

  • 有规律的断续的光是有周期的,一个周期包括一个亮的和一个暗的时相。频率用每秒周数计量。频率低时,观察者看到一系列的闪光,频率逐渐增加,变为粗闪、细闪,直到连续。

  • 闪光产生融合感觉的周期时应当满足网膜电流活动所持续的时间。如果在第一次闪光的100毫秒之后,接着发出第二个闪光,感受器对第二次闪光的反应,必然落在第一次闪光反应的延续期内,如此连续进行,人们感觉到的光是连续的。


N algi b
n=algI+b

  • 不同的人的CFF的差异相当大,常说的标准每秒30—55次,是在忽略许多因素后提出的。CFF的值主要受闪光强度的影响,特别是刺激强度的影响。在刺激波长的范围很广时,CFF直接与刺激强度的对数成比例。

  • n=algI+b,其中n是临界频率,单位是周/秒,I是光的强度,a、b是两个参数,因人、因时而定,因此n的数值也因人、因条件而异。这个公式叫做费瑞——帕特定律(Ferry—porter Law)它和韦伯一费希纳定律是一种形式,这个公式只适合于中等强度。


塔尔博特—普拉多定律

  • CFF现象一旦建立,它的强度在感觉上似乎比非间断的光源弱,而事实上达到CFF的闪光明度的强度却与稳定光的强度相同。这种有趣的关系称为塔尔博特—普拉多定律。它表示一个闪光“亮”了一半时间,在强度上与连续“亮”的光相等,但明度只有一半。


CFF现象的意义

  • 要不是存在CFF现象的话,看到的电影映象也许只是一些闪光。电影正常画面以每秒24幅放映。这个频率对许多人而言,远达不到临界频率,为了避免闪光,就得使通过一幅画面的光中断两三次。这样,虽然每秒仅放映24幅画面,但人眼受到的刺激速率却是每秒48次或72次的闪光,这样的速率足以消除闪光。


Cff 1
影响CFF的因素(1)

  • 事实表明刺激强度是影响CFF的最主要因素。在低亮度时,融合频率可低到5~10周/秒;而在高亮度时,临界融合频率可以达到45—60周/秒。


Cff 2
影响CFF的因素(2)

  • 刺激的时间特性也会对CFF产生明显影响。它主要取决于亮和暗时相的时间比例。一般说来,亮的时相长,由于时间的累积,它的有效强度也就更为增高;如果暗的时相长,网膜的恢复越完全,所以达到CFF的频率也低。


Cff 3
影响CFF的因素(3)

  • 融合频率也随闪光照耀区域的面积的扩大而增加。1930年,格拉涅和哈帕认为这种关系如同强度提高会增加CFF一样,具有对数关系:n=ClogA+d, A代表面积,C和d是两个参数。格拉涅用四个小点同时闪亮,测定出融合频率,再测一点闪亮时的频率。结果四点比一点的融合频率要高。


Cff 4
影响CFF的因素(4)

  • 由于视网膜中视锥视杆细胞有着特定的分布结构,所以在网膜不同部位闪光作用的感受器不同,CFF也必然不同。格拉涅和哈帕用一个颜色混合盘在中央凹部位调到融合频率,然后把眼睛稍稍移向一边,这时原来融合的频率在网膜边缘视觉下又显现闪烁了。结果揭示了在中央凹融合频率最高,视锥比视杆有更高的融合频率感受性的事实。

  • CFF随年龄增长而衰退,55岁以上闪光融合频率相对较低。视觉疲劳也会使CFF降低。


颜色系列(1)

  • 颜色是物体的一种属性,是由于光投射到物体,根据物质的性质,反射出没有被吸收的光的特性,并作用于我们的视觉引起感觉的结果。

  • 颜色集合一般可分为二个子集:非彩色和彩色。非彩色是指从黑色一白色,由深浅不同的灰色排成的系列,这个系列的梯度可以用一条垂直线表示。非彩色系列是无色系列,基本特征主要是明度。


颜色系列(2)

  • 非彩色系列各梯度色没有绝对的纯度指标,系列中各梯度色的非彩色反射率代表物体的明度,反射率越高越接近白色,反射率越低,则越接近黑色。一般地说,白色表面的反射率达80%左右,而黑色表面的反射率小于10%。人眼对于无色系列明度的感觉,主要根据“视觉机制的二重作用”原理,即是视锥视杆细胞特异敏感性反应的反映。


有色系列

  • 视觉感受一种颜色取决于三个基本特性,即明度、色调和饱和度。任何一种颜色都是三者总效果的结果,其中色调是最重要的特性。在物体反射的光线中,占优势的光波波长决定颜色感觉,这是最本质的颜色属性。颜色的饱和度是指一个颜色的纯洁性,它取决于表面反射光波波长范围的大小,即光波的“纯度”。光谱上的各种颜色是最饱和的颜色。


颜色混合和混色定律

  • 颜色混合涉及两大法则,一是满足色光混合的加色法,二是符合颜料混合的减色法。导致这两种混合方向相反的原因主要是由于材料的物理属性不同。


色光混合的加色法(1)

  • 光谱中的色光混合是一种加色法,加色法的原色是红,绿,蓝,它们分属于可见光谱的两端和中部。用三架幻灯机同时投射这三色光并使之重叠在一起时,看到的是白色光。但除非是在实验室里,一般情况下产生白色光的色光并不是纯粹的三原色。事实上,见到的许多颜色大都是不同光波混合的结果,所谓同色异谱的现象说的就是这个道理。


色光混合的加色法(2)

  • 人眼不是非常精细的感觉器官。例如,当面对一个波长是570毫微米的黄色光,同时又将650毫微米的红光和530毫微米的绿光按一定比例合成另一个黄光,人眼是感觉不出这两种黄光有什么差别的。光谱中的每一种色光,都有另一种按一定比例与它混合得到一种白色光的色光,它们都能在色调环和色三角上找到大致关系,这种关系构成了补色对。


色光混合的加色法(3)

  • 三原色相加:红+绿+蓝=白色

  • 中间色: 红+绿=黄色,红+蓝=紫色

  • 蓝+绿=青色 ,红十黄=橙色

  • 补 色: 黄+蓝=白色

  • 红+青=白色,紫+绿=白色

  • 色光混合的特点是,相混合的各色光的能量值相加,等于被混合色光能量的值,被混合色光的能量增加,其明度也有所增加。


色光混合的加色法(4)

  • 将不同色光刺激同时作用于眼睛而形成色光混合称为同时加色法;

  • 将两种以上颜色刺激以40—50次/秒交替速度作用于眼睛时的色光混合称为继时加色法。


补色律

  • 如一种色光与另一种色光混合,彼此中和产生白色和灰色,那么这两种色光称为互补色。


中间色律

  • 两个非补色相混合产生一个新的混合色或中间色。在色环上用直线联结两种色光,从环中心通过直线中心点画一延长线到外周,此外周点的位置便是这个颜色的色调。混合色的色调取决于两颜色的相互比例,并更接似于比例大的颜色。中间色一般是光谱系列上比补色相距更近的—些颜色在混合时产生的。根据中间色律,只要确定三种基本颜色(如红、绿、蓝),逐一将其中两者进行一定比例的混合,即可得到光谱上的各种颜色。


代替律

  • 即指不同颜色混合后,产生相同的颜色感觉,彼此可以互相代替。例如:

  • 颜色A=颜色B 颜色C=颜色D 则:A+C=B+D

  • 它表明:即使二种颜色的光谱成分是不一样的,但只要在感觉上颜色相似,便可以互相取代而得到相同的视觉效果。这条定律是格拉斯曼建立的,是现代色度学的基础。


颜料混和的减色法

  • 颜料混和是减色混合,这是因为颜料的颜色是颜料吸收了一定波长的光线后所余下的光线的色调。例如,黄色颜料从入射的白光中吸收蓝光而反射红光及绿光,红光和绿光结合引起黄色的感觉,等等。


减色法公式表示

  • 白色—蓝色=黄色,白色—绿色=紫色

  • 白色—红色=青色

  • 黄色+青色=白色一蓝色一红色=绿色

  • 紫色+青色=白色一绿色一红色=蓝色

  • 黄色+紫色=白色一蓝色一绿色=红色

  • 黄色+紫色+青色=白色一蓝色一绿色一红色=黑色


减色法的结果

  • 相减混色后得出的颜色的明度降低了,这一点与色光相加混合的结果相反,但是从光的吸收和反射的性质来看,加色法和减色法的规律基本相同。紫色颜料是因为吸收了绿光反射蓝光和红光的缘故,这时紫色和绿色就是互补色。同理,红色的补色是青色,蓝色的补色是黄色。


双重减色过程

  • 减色法的三原色:黄、品红、青是相加三原色红、绿、蓝的补色。减色混合得到的颜色的反射率较低。例如黄色颜料主要反射光谱上黄色一带的光谱频率,同时兼带反射附近少量绿色,而吸收蓝色和其他颜色;蓝色颜料主要反射蓝色一带的光谱频率,兼带反射少量绿色,吸收黄色和其它各色,表现为减色特性。但是当把黄、蓝色颜料混合起来时,二者只有绿色反射特性是一致的,其它颜色都被吸收了,所以混合的结果呈现绿色,同时明度也降低了。


颜色视野和光谱敏感性

  • 人眼注视景物,大约有近似20的直径范围能获得最清晰的感觉,称为中央视觉;在中央视觉周围的区域只能获得模糊的视觉景象,这是边缘视觉。正常人双眼同时注视一景物时,视野大约有1200左右是重叠的,双眼视野比单眼视野的范围要大。正常人的视野大约每只眼睛上下达1350~1400,左右达1500~1600左右。


视野范围

  • 有色视野与无色视野的范围是不同的。有色视野中不同的颜色所占的范围也不同。在同一光亮条件下,白色视野的范围最大,其次为黄蓝色,再次为红色,绿色视野最小。


视网膜不同部位的颜色

  • 视网膜中央区能分辨各种颜色。由中央区向外周部分过渡,颜色的分辨能力减弱,人眼感觉到颜色的饱和度降低,最后直到色觉消失。


朴金耶现象

  • 在明亮处,等能光谱最亮部分在556毫微米(黄绿光带)处。随着环境亮度的逐步降低,光谱最亮部分向左移,最亮部分为510毫微米(蓝绿光)处,而原来红色部分则看不见了。所以在白天,黄绿色物体显得最亮,而在黄昏时,蓝绿色显得较亮,红色不明显。这种现象称为朴金耶位移,只有当光照射视网膜边缘部分时才出现。

  • 中央视觉有辨色的能力,边缘视觉不能辨色。朴金耶现象是在光线转暗时,色觉由视锥向视杆转移的结果


颜色视觉的理论

  • 历史上关于色觉机制的理论种类较多,但是真正有说服力的却很少。

  • 公认有价值的色觉理论有两个,一是杨格一赫尔姆霍茨的三色说,另一个是赫林的四色说,不过现代的一些资料证明,统一这两种学说更有利于认识色觉机制的本质。


杨格—赫尔姆霍茨的三色说

  • 杨格是英国物理学家,三色假说首先是他在1801午提出,后由赫尔姆霍兹加以修改成型。

  • 三色说假定在视网膜中存在三种基本色觉,即红、绿和蓝,与此相对应有三种视锥细胞,含有三种不同的感光化学物质。其中每一种感光化学物质的分解,刺激不同的神经纤维,它们的神经冲动传到视皮层的不同神经细胞系统。当3 种视锥细胞接受同等强度的刺激时,形成白色感觉。一切其他的色觉都可以由这三种感受器受到不同比例的合并刺激所形成的。


三色说的发展

  • 近20年来,一些学者采用眼底反射分光光度法、显微分光光度法和单细胞电生理学方法等,已证明在视网膜中确实存在三种不同光谱敏感性的视色素,这些视色素分别吸收某些波长的光而反射另一些波长的光。


赫林四色说(1)

  • 四色说是赫林(Herling)于1870年提出的。他接受颜色是成对、互补或对抗活动的观点,假设视网膜中有三对视素:红一绿视素、黄一蓝视素,白一黑视素。这三对视素的代谢作用给出四种颜色感觉和黑白感觉。由于两对视色素是对抗且互补的,所以四色说又称“颉颃说”。


赫林四色说(2)

  • 每对视素的代谢作用包括分解和合成两种对立过程,三对物质在分解时分别产生白、黄、红感觉,而在合成时产生黑、蓝、绿感觉。

  • 赫林的学说到本世纪60年代也得到生理学研究的支持,这些证据主要来自非人类视觉机制的研究工作。


赫林四色说(3)

  • 研究者终于从灵长类动物的视神经通路中分解出满足赫林学说的三种反应:光反应(L)、红绿反应(R—G)和黄蓝反应(Y—B)。


色觉阶段说

  • 阶段说认为:①第一阶段在视网膜水平。光被三种细胞感受,是一种三色机制。②第二阶段,视觉的颜色信息在这里被编码后向中枢传导时变成四色机制,即一个亮度信号,两对色差信号(红一绿,黄一蓝),满足四色说。③第三阶段在大脑皮层的视觉中枢,在此形成颜色的辨认。按照色觉三阶段的特点,可以分别称名各阶段:第一阶段:感色阶段;第二阶段:编码阶段;第三阶段:辨色阶段。


颜色视觉现象(1)

  • 颜色对比是视野中某一颜色的感觉受邻近其它颜色影响发生变化的现象,是不同颜色区域相互影响的结果。颜色对比在方式上有“同时对比”和“继时对比”之分。如,注视黄色背景上的一小块灰色纸片几分钟,就会感觉到灰色纸呈现蓝色;在绿色背景上灰纸会呈现红色,这是“同时对比”现象。如果在灰色背景上放一块颜色片,注视一个短时间后再撤走纸片,或先注视颜色片,再插入灰色背景,就会在背景上看到原来颜色的补色,这是“继时对比”。


颜色视觉现象(2)

  • 同一种颜色在亮的背景上看起来不如在暗的背景上看起来亮些,这是明度对比现象。依照赫林的看法,明度对比是一个网膜区的活动引起邻近区相反活动的结果。他仿用谢林敦“对比盘”证明,当黑白盘的转速达到临界融合频率时,黑白明度对比效果就提高了。


颜色视觉现象(3)

  • 颜色对比还随面积大小在亮度和饱和度方面有所差别,当刺激面积小到难以区分不同颜色的界限时,就出现色融合现象,产生混色感觉。


颜色视觉现象(4)

  • 视觉后像是光刺激停止作用后在脑中有所暂留的现象。

  • 视觉后像分为正后像和负后像。正后像是一种与外界的刺激相符合的感觉,负后像则相反。后像又可分黑白后像和颜色后像,如受试注视一小块颜色片30秒钟,撤走色片后,原来的颜色感觉要持续一个短时间,因为它在色调和明度上和原来的感觉相似,所以称为正后像。正后像通常很快就让位于负后像,负后像和原来感觉在明度上是相反的,在色调上是互补的。


颜色适应(1)

  • 注视一个红色块半分钟,然后注视灰色背景、色觉会发生逆转,这也是一种适应,这就是人们熟悉的后像实验。


颜色适应(2)

  • 先看到的色光对后看到色光的影响叫做色适应。

  • 以每秒一次的黄色小闪光投射在注视点上,观察者感觉到黄色闪光,接着让观察者注视红色强光视野,待适应后再回头看原来的黄色闪光。开始闪光变成了绿色,经过一段时间才逐渐增加了黄色的感觉成分,几分钟后才完全恢复黄色闪光感觉。这就是典型的色适应现象。


麦克洛效应

  • 麦克洛(C.Mecollough,1965) 首先把色适应与图形方位结合在一起研究,他发现在让眼睛交替适应蓝色背景上的水平栅条和橙色背景上的垂直栅条之后,紧接着让受试看无色背景上的同样黑白栅条,受试者便把水平栅条看成橙色,而把垂直栅条看成蓝色。


颜色常性

  • 人眼对物体颜色的感知,在外界条件变化的时候,仍然能保持相对不变,表现出颜色的恒常性。


颜色常性的理论解释

  • 有两种主要解释,赫尔姆霍兹认为这是一种“建立在无意识感觉上的理智判断”,而赫林提出“颜色记忆”的概念。迄今为止两种观点中那一种更好还不知晓。自卡茨(A.Katz)于1911年把颜色常性问题引入心理实验室,并集中研究照明变化对于常性知觉的影响以来,对颜色恒常性的研究前进了一大步。颜色恒常性的程度也可以用数量来表示了。


颜色常性的计算

  • 布伦斯维克比率=(R—S)/(A—S)

  • R:被试所知觉的大小,S:根据视角计算的大小,A:实际大小。比率为0,说明没有恒常性;比率为1,表示有完全的常性。

  • 1931年邵勒斯使用对数值进行计算。

  • 邵勒斯比率=(lgR—lgS)/(lgA—lgS)


色的心理效应(1)

  • 颜色不仅与人的视觉有关,而且可以影响人的情绪、行为和工作效率。

  • 实验证明:在绿光的照明下,人的听觉感受性会提高,而在红光的照明下则听觉感受性下降;在橙黄色的灯光照射下,手的握力比平常要大,而在红光下握力增加得更多;在红光照明下观察物体大小比在蓝光照明下观察要大些。

  • 色光波长不同,色温也会相应低些或高些。暖色调有黄、橙、红等。青、蓝、绿等以短波占优势,为冷色调,使人有清凉与寒冷的感觉。


色的心理效应(2)

  • 颜色还可以给人以“轻”、“重”,“远”、“近”感觉,甚至影响味觉。有人做过这样的研究:将同样的咖啡倒入形状相同只是颜色不同的杯子,然后请人分别品尝。结果大部分人认为,黄色杯子的咖啡淡,绿色杯子的咖啡带酸味,红色杯子的咖啡味道浓香。国外有些研究者专门研究用什么色光照射时,肉类、蔬菜水果等食物的颜色显得最新鲜。结果用红橙光照明肉类使人觉得新鲜红润,用蓝绿光照明使人觉得已变质腐烂。


色觉的应用

  • 商业广告的颜色要避免同时使用互补色。实验证明为取得良好的观视效果,背景色和字体色的良好匹配的优劣等级如下:

  • 1.黄色背景,黑字; 2.白色背景,绿字;

  • 3.白色背景,红字; 4.白色背景,青字;

  • 5.青色背景,白字; 6.白色背景,黑字;

  • 7.黑色背景,黄字; 8.红色背景,白字;

  • 9.绿色背景,白字; 10.黑色背景,白字;

  • 11.黄色背景,红字; 12.红色背景,绿字;

  • 13.绿色背景,红字。


孟塞尔系统

  • 1915年由美国出版的《孟塞尔颜色图谱》,这个图谱是从心理学出发自成体系的测色标准。经美国国家标准局和美国光学学会修订后的《孟塞尔颜色图谱》的最新版本包括两套样品。


CIE色度系统

  • 现代色度学采用国际照明委员会所规定的一套原理、数据和公式来测量颜色,这套系统称为CIE标准色度学系统。它是根据三原色原理,用红、绿、蓝三色按不同比例匹配表示任一颜色。


颜色方程式

  • 颜色方程:(C)= r(R)+g(G)+ b(B)

  • 其中(C)表示一种特定的颜色,(R)、(G)、(B)表示红、绿、蓝三原色,r、g、b是每种原色的比例系数,式中“=”是代表匹配意思,即视觉上颜色相等。因为三原色的总光量必须与被表示的颜色相等,所以r+g+ b=1

  • r= R/(R+G+ B)

  • g= GR/(R+G+ B)

  • b= B /(R+G+ B)


Cie 1
CIE色度图(1)

  • CIE色度图以x、y对颜色定义。x色度坐标相当于红原色的比例,y色度坐标相当于绿原色比例,没有标出z色度坐标(蓝原色)的比例,但根据x+y+z=1可以推算出来。马蹄形上的各点代表380毫微米(紫色)到780毫微米(红色)之间所有单色光。马蹄形上各波长的连线叫光谱轨迹,从紫端到红端的连接直线是光谱上没有的由紫到红的颜色,而色三角内包括一切物理上能实现的颜色。


Cie 2
CIE色度图(2)

  • 三角形内的任何一种颜色,只要已知匹配的三刺激值就可以定出x、y的色度坐标,并能进一步确定该颜色的主波长(色调)和纯度(饱和度),但要完全确定一种颜色还应该加上它的亮度值。图中轨迹上的各点代表纯光谱色(饱和度最大)。C点是光源,由三原色各1/3产生。

  • 任何颜色在图中依其位置来表示它的特性。


颜色的宽容度

  • 每一种颜色虽然在色度图上占一点位置,对视觉来讲,它实际是一个范围,这个范围内的变化在视觉上是等效的。这个人眼感觉不出的颜色变化的范围叫做颜色的宽容度。


测量明度差别阈的方法(1)

  • 测量明度差别阈限最简便的方法是给受试一个小的图形视野,并用一条细线平分视野形成两个半圆视野。实验者的任务是用光源、透镜、滤色片等工具操纵两个半圆视野中的光强度,要求受试报告在两个半圆视野中那边更亮些。在实验的实际操作过程中,还有一些困难。


测量明度差别阈的方法(2)

  • 例如,允许受试对两个被照亮的半圆视野反复观察同时比较,那么时间稍长,适应和后像等因素就会起干扰作用。如换一种方法,让受试先注视视野中心,光源在视野上只照射一个短暂的时间(如1秒)情况也许好些,但是这里预先的视野又成了问题,如果它是暗的,受试就形成部分的暗适应。当然实验者可以不管实际刺激的强度水平,把预先呈现的视野保持在一定强度上,可是这样的解决办法只能是就事论事,不能从根本上解决问题。


测量明度差别阈的方法(3)

  • 格累汉和堪普用同样的强度照明两个半视野,让受试注视视野中心。当受试准备好以后,实验者扭开一个快门,使另一附加的闪光照到某一边的视野上,然后请受试报告。附加的闪光每次出现时都可变化强度和时间。实验者根据受试的报告决定他的差别阈限。


测量明度差别阈的方法(4)

  • 如果假设两个半视野的预照明强度为适应强度,那么把这些材料稍作处理,即可得到一系列合理的I*T和T的曲线。这些事实表明:在任何情况下,刺激过程都依赖于在临界时间内一定数量的感光物质的分解,所需要的光量(IXT)即依赖于适应水平,也依赖于有效的感光物质的数量。


测量适应方法(1)

  • 适应过程可以用测定刺激阈限的方法来研究,佩珀实验:实验在暗室中进行,在距受试1英尺远的位置上从后面照明呈现4英寸见方的视野。测量前先让受试在室外光适应15分钟,进实验室立即测定受试的阈限。随着受试暗适应水平不断提高,主试使视野上的照明刺激逐步降低,控制在受试刚刚看到它为止。这一过程通常需要40~60分钟,才能使得受试的暗视阈限相对稳定。用这种方法获得的阈限大约只是受试初进暗室时阈限的1/3500。


测量适应方法(2)

  • 人眼在极端黑暗中比在极端亮光下的感受性要高一百万倍,这是研究者在1931年用快速方法测定阈限的结果。此方法是先让受试在一定时间内注视一个已知明度的大面积视野,获得适应;然后主试把视野完全变暗,只留下中心的一小部分,测量受试能否看见这中心的一小部分。实验者变化中心的亮度就可以测定阈限值。


测量适应方法(3)

  • 上述采用了超出中央凹范围的大视野,其结果只适用于视杆细胞。测定视锥适应要把视野局限于中央凹才能研究。1921年黑希特用一个从后面照明的红色十字作为测量的视野。视野广度只有2.5度视角。但这个视角还不够小,不能把视野限制在无视杆细胞的区域中,于是他应用一定波长的红光使涉及的视杆细胞相对地不能感受刺激。测试前,受试先注视一个明亮的表面5分钟以获得光适应。


测量适应方法(4)

  • 测试中,受试只需注视红色十字,看到时便给一个信号,实验者递减亮度,受试随之报告。研究结果表明视锥的暗适应是迅速的,同时也是有限的,它在3分钟内就完成了,感受性是光适应下的100—200倍。典型的暗适应曲线中的上一段,就是视锥细胞的适应过程。


Cff 11
测量CFF的方法(1)

  • 闪光的临界融合频率最早是用分成扇形的圆盘在光源前旋转来测定的。测试时由受试控制转速,旋转慢时可以看到间断的闪光,但是达到一定速度就可以感到连续的光亮,即临界融合频率。这种闪烁法还可以测量闪光强度。


Cff 21
测量CFF的方法(2)

  • 用此方法测量闪光强度是用一恒定的白光作为标准光,并与一定波长的单色光以每秒10~20次的速率重复交替呈现。当单色光与标准光的亮度不相等时,就会产生一种强弱交替的闪烁现象;两者的亮度相等时,则闪烁现象降至最小或基本相同。实验中,由受试调整单色光的强度,直到产生最小的闪烁为止,这时单色光与标准光的亮度便相等。


Cff 31
测量CFF的方法(3)

  • 用转盘闪烁方法测量CFF的缺点是,由于光源来自外部,光源即使照射到黑的部分也有光会反射出来,因此亮度控制较差,转速的频率测量有时也不太准确。


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