這雙鞋有色差，左邊的比右邊深一點，你難道沒發(fā)現(xiàn)嗎？我仔細看了半天，愣是沒看出差別！不過，我還是陪著她就鞋子的色差一起去店老板那理論了一番，雖然心里有點虛。

顏色感知是視覺的基本功能之一，也是智能的基本元素之一?？墒?，顏色從何而來呢？為什么會有這些功能呢？它又是如何被認知的呢？ 

眾所周知，自然界中充斥著電磁波。按波長由短到長來劃分，電磁波包括了伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電波等。與整個電磁波譜近10的16次方級差的波長范圍相比，可見光只分布在380nm(納米)到760nm之間，簡直是太宅了(窄)。而偏偏是這段窄得不能再窄的波譜，對人類的生存和智能發(fā)展卻起了重要作用。為什么人類沒有選擇其它更寬的波譜來形成顏色視覺呢？

圖1     左：電磁波譜與可見光；右：電磁波在進入地球大氣后的分布

一種可能的解釋是，雖然自然界的電磁波分布廣泛，但由于大氣的保護作用，如臭氧層吸收掉了大量對大多數(shù)生物有害的紫外線、大氣中的二氧化碳吸收掉了大量的遠紅外線、水蒸氣吸收了近紅外和微波，最終能進入地球大氣層并到達地面的太陽輻射便以可見光譜范圍為主，如圖1右所示。而人類在演化中就選擇了能量最強的這段光譜來感知世界，所謂之人擇原理。然而，同樣是電磁波，只是波長頻率上的不同，為什么只有可見光能呈現(xiàn)顏色呢？

事實上這樣說也不是完全精準， 因為不同物種感知電磁波的能力是不同的，感受的顏色也有細微差異。比如蜜蜂。據(jù)說由于復眼的原因，蜜蜂能感受更短波長即紫外線段 的差異。結(jié)果，在蜜蜂的眼里，白色的花可能會有不同的顏色。這方便了蜜蜂識別不同類型的白花，如圖2所示。而眾說周知的響尾蛇則能通過位于眼睛和鼻孔之間的 “熱眼”感應(yīng)到更長波段的紅外線的強度變化，以此來區(qū)分活體與非活體。

圖2 人與蜜蜂視覺的差異[1]; 下圖：人眼中的白花(左)與蜜蜂眼中的白花(右)

不同于這兩種動物，人類的顏色視覺感知范圍都在380nm到760nm之間。按波長長短，粗分成了如彩虹的“紅橙黃綠藍靛紫”的顏色變化。國際照明協(xié)會甚至給出了無法通過其他顏色混合而成的相加三基色，即紅、綠、藍的波長定義，盡管每個基色實際都有一定的變化范圍?？紤]到打印、油畫的顏色是通過反射獲得的，它還給出了相減三基色，即青色、品紅、黃色的定義。

圖3 相加三基色與相減三基色

不管如何定義，人類對顏色的感知方式基本是一致的。目前公認的是楊一赫姆霍茲(Young-Helmholtz)三原色學說，即認為視覺系統(tǒng)中存在對紅、綠、藍三基色光線特別敏感的3種視錐細胞、或相應(yīng)的3種感光色素。其它顏色的光線則作用于這三種視錐細胞并進行混色，并形成相應(yīng)顏色的感覺。該學說解釋了混色現(xiàn)象的原因，但還不能滿意的說明色盲、補色現(xiàn)象、負后像等現(xiàn)象。類似的學說還有，也無法形成圓滿解答。另外，視覺神經(jīng)元對三基色的感知的敏感差異也基本相同。如主要負責藍色感知的視藍素，雖然總量少，但卻最為敏感。因為存在這些一致性， 顏色感知才能有利于人類形成對世界大抵相同的觀點、對物體的共同印象和概念、對情緒和心理的共同感受。 

如果人類只能感受光線的強弱，而無法感知顏色，那必然會少了不少能力和樂趣 。因為有了顏色的感知，于是在智能發(fā)展上便有了很大的提升。

第一個重要的提升是對目標識別能力的改善。隨手拍張照片，如果換成黑白色，就會丟失不少結(jié)構(gòu)信息，甚至彩色圖像可能反映出來的深度信息也會損失不少。這是光強與顏色差異的區(qū)別。不僅如此，從視神經(jīng)元的感受能力也能發(fā)現(xiàn)巨大的差異。人對光強度的分辨能力一般在20個灰度級左右，但對顏色的分辨卻能上好幾次數(shù)量級。這無形中拉大的目標或物體之間的區(qū)分度，為人類提高和加速識別目標提供了有利條件。

人類也把這一技術(shù)挪到計算機上用于其他任務(wù)的識別。如 AlphaGo直接把圍棋的棋盤視為顏色在棋盤上的分布，并根據(jù)分布來判斷每一個棋盤的輸贏。人類還把這一技術(shù)用到原本不可見的光譜上，如機場的X光機，幫助更有效地分辨危險物品。甚至將用于聲波反射構(gòu)成的醫(yī)療圖像，如給B超圖像著色，以提高醫(yī)療診斷的有效性。

值得指出的是，顏色分辨能力在男女之間有著明顯的差別。男性對顏色的敏感程度，從平均意義來講，要遠低于女性。打個不恰當、夸張的比方，男性能認全彩虹里的“紅橙黃綠藍靛紫”就不錯了，女性卻可能認識上千種顏色。不信的話，女性同胞們可以把圖4中不同種類的口紅顏色讓男性朋友辨別下。

圖4  不同種類的口紅

不過顏色認得少也不見得全是壞事，比如怕“鬼”的多是女性，有可能就跟顏色看得太多、容易產(chǎn)生的聯(lián)想豐富有關(guān)。為什么要在智能體上形成性別差異明顯的顏色感知呢？

有一點可以肯定的是，顏色會影響人類情感的表達。不然，買那么多種口紅就沒意義了。 不同的色彩也能影響人對觀察到的事件的判斷，甚至給出截然相反的結(jié)論，如圖5的著色。 顏色有的時候還可以幫助掩飾真實情感，如用艷麗的口紅來掩飾不愉快的心情。

 圖5     救人還是？顏色的誤導

圖6   顏色影響圖像的格調(diào) (注：來自影像視覺雜志)  

除此以外，顏色對于圖像高層語義的表達也很重要。在攝影作品中，有時為了追求特殊的美感，會有意將照片的顏色退去，以形成所謂的高調(diào)、低調(diào)的黑白照片。但在多數(shù)情況下，彩色照片仍然占主導地位。在彩色圖像上同一場景顏色明暗的變化會導致不同的感受，如圖6。該圖只是在顏色的明暗上做了些微變化，就影響了對圖像中人物心情是憂郁還是略顯陽光的判斷。

另外，現(xiàn)有的與人工智能相關(guān)的諸多應(yīng)用，都要考慮對顏色的處理。如圖像修復(Image Inpainting)中，需要考慮缺失部分與未缺失圖像之間顏色的一致性；圖像標注(Image Captioning)任務(wù)需要考慮顏色帶來的意境。

值得指出的是，古往今來的文人墨客從來沒不吝嗇用筆墨來描繪五彩斑斕的顏色。舉例來說，魯迅在《雪》中的一句對寒冬時節(jié)花草的描述：

雪野中有血紅的寶珠山茶，白中隱青的單瓣梅花，深黃的磬口的蠟梅花；雪下面還有冷綠的雜草。

聊聊數(shù)筆，一幅有顏色的畫面便躍然紙上。試想，如果沒有顏色，由智能體、人類撰寫的文學作品肯定會遜色不少 。

既然顏色在智能體中起了如此廣泛、重要的功能，顏色的辨識又是在何時被固化到人的視覺中樞呢？

要回答這一問題，還可以先問另一個問題。有多少人去觀察過兒童的發(fā)育，觀察過兒童在不同年齡階段對物體、概念的學習能力呢？

本人曾對某兒童的成長進行過長時間的觀察。從個人的經(jīng)驗來看，顏色是兒童在1歲以后才能學會和理解的。有別于有形物體的學習，顏色在早期發(fā)育中是比較難以學好的概念，因為它是觸不到，摸不到的。

在兒童最開始的物體學習階段，觸摸很重要，因為即使是同樣的物體，如果不去觸摸，人也會產(chǎn)生不同的視覺感知，如受觀察角度的影響、受透視角的影響等等。通過觸摸，可以完成消歧，得到唯一的概念標簽。

然而，顏色卻是無法觸摸的。在父母通過聽覺系統(tǒng)向小孩傳授這一概念的時候，小朋友只能依賴視覺獲取的信息來推測。但聽覺信息傳授的概念具有很強的多義性，比如說一堵墻是紅色的。小朋友在無法觸摸顏色時，即使父母通過手勢來輔助傳授，他/她也并不會清楚紅色是特指什么，尤其在他/她已經(jīng)習慣了通過觸摸來幫助學習物體的時候。通過這個觀察，我發(fā)現(xiàn)顏色盡管是能看到的，卻是相對抽象的、略為高級的語義信息。結(jié)果，這個抽象的顏色，需要花比學習實際物體更長的時間來學習，才能形成準確的抽象概念表征。同時，抽象的特點也使得顏色的認知往往會滯后于實體目標的學習。

圖7  不同色盲的顏色感知

不難看出，顏色盡管與生俱來，但最終還是通過傳授完成標定，并形成認知上的統(tǒng)一的。然而，值得注意的是，這種認知上的統(tǒng)一，并不能解決因為基因或病理原因引起的色盲，甚至可能導致危險。比如我們常見的紅色色盲患者，其在顏色的感知上對紅色與綠色是沒有區(qū)分的。但是，這并不意味著他在熟悉的場所區(qū)分不了這兩種顏色。因為，在兒童期的顏色學習時，父母會通過聽覺和手勢來幫助區(qū)分顏色會處的位置。

紅綠燈盡管顏色感知相似，但在交通燈的位置往往是不同且相對固定的。所以，在熟悉地段，紅色色盲患者是能正常生活的和遵守交通規(guī)則的；但危險來自于，去陌生地方的時候。如果紅綠燈位置產(chǎn)生變化，那紅/綠色盲患者就很難區(qū)分。除此以外，這類患者在理解藝術(shù)作品中的情緒、美感上也會產(chǎn)生嚴重的偏差。當然，如近視眼創(chuàng)造的印象派一樣，也不排除色盲患者會畫出不同常人、別具一格的杰作。

從以上例子可以看出，人對顏色甚至知識的學習似乎是從具體到抽象逐漸過渡的，而不會一開始就接觸非常抽象的概念。如果想建構(gòu)一個擬人的智能體，是否也應(yīng)該遵循這一規(guī)范呢？是否不應(yīng)該從相對于視覺更為抽象的自然語言處理開始著手呢？

而作為人工智能的研究者和愛好者，不妨也觀察下，自己的小孩什么時候能學會判斷顏色?  是否比學習實體的概念更困難？ 觀察新生兒的發(fā)育過程，尤其是0-3歲時期的，很可能能對人的智能發(fā)育形成更直接、一手的了解。如果多些人去嘗試，也許能得到很多統(tǒng)計意義上的、關(guān)于智能的新的發(fā)現(xiàn)。 

參考文獻：

https://www./sciencetech/article-473897/A-bees-eye-view-How-insects-flowers-differently-us.html

THROUGH INSECT EYES VISION SCIENCE: HOW BEES PERCEIVE THE WORLD

Sharla Riddle.  THROUGH INSECT EYES, VISION SCIENCE: HOW BEES PERCEIVE THE WORLD, May 20, 2016. 

張軍平

2018年10月7日