看见光色：照明颜色感知与辨别的视觉与非视觉机制及其应用前景

本综述系统探讨了照明颜色感知与辨别的科学前沿，揭示了表面反射与入射光照在视觉形成中的复杂纠缠关系。文章深入剖析了颜色恒常性（color constancy）、感知意识（perceptual awareness）与光照场（light field）的相互作用机制，并创新性地引入了非视觉响应（nonvisual responses）机制，通过ipRGCs（ intrinsically photosensitive retinal ganglion cells）通路阐释光照对生理节律与情绪调节的深层影响。作者结合计算机图形学与神经科学的多学科视角，为健康照明（如调节睡眠-觉醒周期）和虚拟现实（VR）领域的精准光谱干预提供了重要理论依据。

　　

光照颜色感知与辨别的多维机制

光的本质与感知困境

从物体表面反射到人眼的光线，本质上是表面反射特性与入射光照光谱功率分布（spectral power distribution）相互作用的产物。这种物理上的纠缠关系造成了视觉科学的基本难题：人类视觉系统如何从混合信号中分离出物体固有的颜色属性与外部光照条件？历史上，关于表面色度（lightness）与颜色恒常性（color constancy）的争论持续至今，核心问题始终围绕"人是否以及如何将光照感知为具有自身颜色的独立实体"展开。

随着光谱测量技术与可调光照技术的发展，研究者已能精确量化自然光照的空间、光谱和时间特性，甚至实时生成近乎无限光谱的人工光照。然而，关于光照颜色感知与表面颜色感知之间相互依赖关系的基本问题，仍然存在广泛争议。特别是在健康照明、虚拟现实（VR）和生成式人工智能（AI）输出追求真实感的当代背景下，理解光照的视觉与非视觉传感的双向交互变得愈发重要。

物理基础：光与表面的相互作用

在简化模型中，从物理表面反射到人眼的光线可表示为光照入射能量与表面反射率的乘积。真实世界的光照光谱通常是宽带的，覆盖可见光谱的所有波长，而表面反射特性则受到材料成分、颗粒分布和载体介质的影响。反射函数可分为体反射（body reflectance）和镜面反射（specular reflection），前者决定物体的固有色，后者则保留入射光的光谱特性，为推断光照颜色提供线索。

光照的空间变化由物理光场描述，即辐射能量在空间每个位置和方向上的变化，这是一种五维表示。通过球谐函数（spherical harmonics, SH）分解，可将复杂光场简化为零阶（环境光）、一阶（光矢量）和二阶（挤压张量）等组件，分别对应均匀照明、定向光源和复杂光源结构。这种分解方法为量化光照的空间结构提供了数学工具。

同时，自然光照具有显著的时间动态特性。日间光照的色温（correlated color temperature, CCT）可能变化超过5,000K，照度变化跨越四个数量级。人工光源也常存在闪烁、调光或突然开关等非恒定输出。这些时空变化特性对视觉系统感知光照提出了额外挑战。

感知测量的方法论挑战

测量光照颜色感知需要精心设计实验方案，涉及直接与间接两种测量范式。直接测量要求参与者明确报告光照外观，例如通过调整显示屏上孤立色盘的颜色来匹配静态场景中的光照。间接测量则通过表面外观匹配（如非对称匹配）或中性色设置（achromatic settings）来推断感知光照。

实验设置包括真实表面与光源（沉浸式或非沉浸式观看）和模拟场景（2D或3D图像）。沉浸式观看中，参与者与场景处于相同光照环境中；非沉浸式观看则通过孔径或扩散屏幕观察封装场景。虚拟现实（VR）设置结合了模拟场景与沉浸式观看，为研究光照感知提供了新途径。

表面色度研究中的光照感知

在表面色度研究中，直接测量光照水平对厘清冯·亥姆霍兹（von Helmholtz）提出的表面色度与表观照度之间的相互关系至关重要。经典实验表明，中等灰纸在弱光照下可呈现白色外观，在强光照下则呈现深灰色，这种感知反转在与形状或深度变化结合时（如马赫卡错觉）尤为明显。

尽管对因果关系的具体性质存在分歧，但学界普遍认同光照水平与表面色度均可被感知并经验性评估。近期研究显示，最高表面亮度可能预测感知光照水平，但仅当该表面同时被感知为白色时才成立。这表明表面外观测量与光照感知测量必须同步进行，而非简单相互替代。

视觉光场的空间结构

感知光照的空间结构研究揭示了光照与表面外观之间的复杂相互作用。光照方向的改变会影响复杂形状的透明度感知，前光照产生更不透明的外观，而背光照则增强透明感。这种"光-材料-形状-空间相互作用"已成为照明设计师和摄影师的技术基础，通过规范照明模式（环境光、焦点光和辉光）来引发特定的材料属性感知。

研究表明，人类能够可靠区分光场的零阶和一阶球谐分量，对应环境光与聚焦组件。高阶分量（照明的辉煌度）也可被区分。然而，观察者倾向于忽略体积阴影和互反射导致的光流畸变，并将光场的空间结构感知得比物理实际更加简单规则。总体而言，人们对光照空间结构的感知趋于简化和规律化。

颜色恒常性研究中的光照感知

在颜色恒常性研究中，关注点通常在于表面颜色外观的稳定性而非光照感知本身。常用方法包括非对称颜色匹配（参与者匹配不同光照下表面的颜色外观）和中性色设置（观察者调整表面颜色至中性色调）。后者提供的感知白点（perceptual whitepoint）常被视为感知光照颜色的代表，无论参与者是否被明确要求匹配光照颜色。

操作颜色恒常性范式要求参与者区分表面反射率变化与光照颜色变化，因此需要对照明的感知意识。全局光照辨别任务（gIDT）则专门评估对突然变化的全局照明的感知能力。这些研究一致发现，人们对绝对光照颜色或水平的感知并不完美，而是偏向于较低饱和度、较蓝色的光照颜色，尤其在需要记忆保持的任务中。

自然光照的时间动态感知

自然日光的变化呈现典型的三段式模式：照度逐渐增加伴随色温快速下降（从最蓝色调转向中性）；照度缓慢升至峰值后下降，同时色温稳定在蓝中性色调附近；照度逐渐降低至黑暗，伴随色温快速上升远离中性。这些变化特征表明色度与照度在自然光照变化中存在相互依赖关系。

通过光谱可调多通道LED光源，研究者能够在沉浸式环境中直接探究参与者对全视野光照变化的视觉感知。实验发现，检测阈值在冷暖两个方向上存在显著不对称性：向中性色温的变化最难检测。从2,000K的温暖CCT出发，向 cooler CCT的色度变化比向更暖CCT的变化更难察觉。

最重要的是，这些低色度变化速度仍然比自然日光漫射组件中最快速的色度变化快至少10倍。尽管人类能够感知全局光照色度的缓慢平滑变化，但视觉系统似乎不适合辨别黎明与黄昏的色度信号。这引出了一个有趣可能性：自然光照光谱的缓慢时间变化可能由非视觉系统通过黑视素（melanopsin）包含的ipRGCs响应来感知。

非视觉传感与照明应用前景

ipRGCs的缓慢、持续时间响应、大空间感受野以及位于视网膜内核层（比经典光感受器更靠近光线入口）的位置，使它们特别适合编码自然光照的时间变化。非视觉系统的广泛投射也可能使黑视素介导的信号影响对光照色度和照度的长期记忆。

随着固态照明技术的发展，这些行为反应日益成为旨在改善健康、福祉、生产力和文化的照明干预目标。通过光谱可调照明，能够在