這雙鞋有色差，左邊的比右邊深一點(diǎn)，你難道沒發(fā)現(xiàn)嗎？我仔細(xì)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(diǎn)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(huì)有這些功能呢？它又是如何被認(rèn)知的呢？ 

眾所周知，自然界中充斥著電磁波。按波長(zhǎng)由短到長(zhǎng)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(gè)電磁波譜近10的16次方級(jí)差的波長(zhǎng)范圍相比，可見光只分布在380nm(納米)到760nm之間，簡(jiǎn)直是太宅了(窄)。而偏偏是這段窄得不能再窄的波譜，對(duì)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(jìn)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(hù)作用，如臭氧層吸收掉了大量對(duì)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(yuǎn)紅外線、水蒸氣吸收了近紅外和微波，最終能進(jìn)入地球大氣層并到達(dá)地面的太陽(yáng)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(qiáng)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(zhǎng)頻率上的不同，為什么只有可見光能呈現(xiàn)顏色呢？

事實(shí)上這樣說也不是完全精準(zhǔn)， 因?yàn)椴煌锓N感知電磁波的能力是不同的，感受的顏色也有細(xì)微差異。比如蜜蜂。據(jù)說由于復(fù)眼的原因，蜜蜂能感受更短波長(zhǎng)即紫外線段 的差異。結(jié)果，在蜜蜂的眼里，白色的花可能會(huì)有不同的顏色。這方便了蜜蜂識(shí)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(zhǎng)波段的紅外線的強(qiáng)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(dòng)物，人類的顏色視覺感知范圍都在380nm到760nm之間。按波長(zhǎng)長(zhǎng)短，粗分成了如彩虹的“紅橙黃綠藍(lán)靛紫”的顏色變化。國(guó)際照明協(xié)會(huì)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(lán)的波長(zhǎng)定義，盡管每個(gè)基色實(shí)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(duì)顏色的感知方式基本是一致的。目前公認(rèn)的是楊一赫姆霍茲(Young-Helmholtz)三原色學(xué)說，即認(rèn)為視覺系統(tǒng)中存在對(duì)紅、綠、藍(lán)三基色光線特別敏感的3種視錐細(xì)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(xì)胞并進(jìn)行混色，并形成相應(yīng)顏色的感覺。該學(xué)說解釋了混色現(xiàn)象的原因，但還不能滿意的說明色盲、補(bǔ)色現(xiàn)象、負(fù)后像等現(xiàn)象。類似的學(xué)說還有，也無法形成圓滿解答。另外，視覺神經(jīng)元對(duì)三基色的感知的敏感差異也基本相同。如主要負(fù)責(zé)藍(lán)色感知的視藍(lán)素，雖然總量少，但卻最為敏感。因?yàn)榇嬖谶@些一致性， 顏色感知才能有利于人類形成對(duì)世界大抵相同的觀點(diǎn)、對(duì)物體的共同印象和概念、對(duì)情緒和心理的共同感受。 

如果人類只能感受光線的強(qiáng)弱，而無法感知顏色，那必然會(huì)少了不少能力和樂趣 。因?yàn)橛辛祟伾母兄?，于是在智能發(fā)展上便有了很大的提升。

第一個(gè)重要的提升是對(duì)目標(biāo)識(shí)別能力的改善。隨手拍張照片，如果換成黑白色，就會(huì)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(huì)損失不少。這是光強(qiáng)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(duì)光強(qiáng)度的分辨能力一般在20個(gè)灰度級(jí)左右，但對(duì)顏色的分辨卻能上好幾次數(shù)量級(jí)。這無形中拉大的目標(biāo)或物體之間的區(qū)分度，為人類提高和加速識(shí)別目標(biāo)提供了有利條件。

人類也把這一技術(shù)挪到計(jì)算機(jī)上用于其他任務(wù)的識(shí)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(gè)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(jī)場(chǎng)的X光機(jī)，幫助更有效地分辨危險(xiǎn)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(duì)顏色的敏感程度，從平均意義來講，要遠(yuǎn)低于女性。打個(gè)不恰當(dāng)、夸張的比方，男性能認(rèn)全彩虹里的“紅橙黃綠藍(lán)靛紫”就不錯(cuò)了，女性卻可能認(rèn)識(shí)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(rèn)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(diǎn)可以肯定的是，顏色會(huì)影響人類情感的表達(dá)。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(duì)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(shí)候還可以幫助掩飾真實(shí)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(dǎo)

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(duì)于圖像高層語(yǔ)義的表達(dá)也很重要。在攝影作品中，有時(shí)為了追求特殊的美感，會(huì)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(dǎo)地位。在彩色圖像上同一場(chǎng)景顏色明暗的變化會(huì)導(dǎo)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(duì)圖像中人物心情是憂郁還是略顯陽(yáng)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(duì)顏色的處理。如圖像修復(fù)(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(biāo)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(duì)寒冬時(shí)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(xué)作品肯定會(huì)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(shí)又是在何時(shí)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(gè)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(duì)物體、概念的學(xué)習(xí)能力呢？

本人曾對(duì)某兒童的成長(zhǎng)進(jìn)行過長(zhǎng)時(shí)間的觀察。從個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)來看，顏色是兒童在1歲以后才能學(xué)會(huì)和理解的。有別于有形物體的學(xué)習(xí)，顏色在早期發(fā)育中是比較難以學(xué)好的概念，因?yàn)樗怯|不到，摸不到的。

在兒童最開始的物體學(xué)習(xí)階段，觸摸很重要，因?yàn)榧词故峭瑯拥奈矬w，如果不去觸摸，人也會(huì)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(biāo)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(shí)候，小朋友只能依賴視覺獲取的信息來推測(cè)。但聽覺信息傳授的概念具有很強(qiáng)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(shí)，即使父母通過手勢(shì)來輔助傳授，他/她也并不會(huì)清楚紅色是特指什么，尤其在他/她已經(jīng)習(xí)慣了通過觸摸來幫助學(xué)習(xí)物體的時(shí)候。通過這個(gè)觀察，我發(fā)現(xiàn)顏色盡管是能看到的，卻是相對(duì)抽象的、略為高級(jí)的語(yǔ)義信息。結(jié)果，這個(gè)抽象的顏色，需要花比學(xué)習(xí)實(shí)際物體更長(zhǎng)的時(shí)間來學(xué)習(xí)，才能形成準(zhǔn)確的抽象概念表征。同時(shí)，抽象的特點(diǎn)也使得顏色的認(rèn)知往往會(huì)滯后于實(shí)體目標(biāo)的學(xué)習(xí)。

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(biāo)定，并形成認(rèn)知上的統(tǒng)一的。然而，值得注意的是，這種認(rèn)知上的統(tǒng)一，并不能解決因?yàn)榛蚧虿±碓蛞鸬纳?，甚至可能?dǎo)致危險(xiǎn)。比如我們常見的紅色色盲患者，其在顏色的感知上對(duì)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(chǎng)所區(qū)分不了這兩種顏色。因?yàn)?，在兒童期的顏色學(xué)習(xí)時(shí)，父母會(huì)通過聽覺和手勢(shì)來幫助區(qū)分顏色會(huì)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(duì)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(xiǎn)來自于，去陌生地方的時(shí)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。當(dāng)然，如近視眼創(chuàng)造的印象派一樣，也不排除色盲患者會(huì)畫出不同常人、別具一格的杰作。

從以上例子可以看出，人對(duì)顏色甚至知識(shí)的學(xué)習(xí)似乎是從具體到抽象逐漸過渡的，而不會(huì)一開始就接觸非常抽象的概念。如果想建構(gòu)一個(gè)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(duì)于視覺更為抽象的自然語(yǔ)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(shí)候能學(xué)會(huì)判斷顏色?  是否比學(xué)習(xí)實(shí)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(shí)期的，很可能能對(duì)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(jì)意義上的、關(guān)于智能的新的發(fā)現(xiàn)。 

參考文獻(xiàn)：

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