颜色学习影响颜色感知的实证研究

李 艳 刘力赫（通讯作者）

一、引言

颜色是视觉感知过程中获得信息的最快途径，它可以直接影响我们的感知与情绪。在生活中，我们通过颜色特征来描述特定的物像，提示某种信号，表达一些抽象的含义。在设计中，设计师可通过色彩的运用对产品的使用方式进行示意，或是通过颜色向使用者传达某种情感；因此，对颜色感知规律的研究非常重要，它不但可以从基础理论的角度去支持设计研究，也可以从应用层面指导产品、机器、环境的色彩设计以更好地适应人，推动人因工程学的发展。

在设计中我们通常会考虑到颜色引起的一些心理变化，基于颜色三大属性—色相、明度和纯度的感知，如色相会影响人们感知颜色的冷暖；颜色明度的高低会使物体产生膨胀感，且高明度物体比低明度物体显大；颜色的明度也同时会影响对物体轻重的感知，高明度的颜色感觉轻快流畅，极具动感；低明度的颜色则有重量感，给人沉稳的感受；颜色的进退感与色相、明度、纯度多种因素相关，暖色系和高纯度的具有前进的效果，冷色系和低纯度有后退感；有人还认为颜色是有味道的，黄色给人香甜的感觉，橙色给人酸甜的感觉，蓝色给人咸的感觉；经过长期的实践，人们将颜色与质地联系起来，如粉色代表柔软、温柔，金色代表金属、坚硬感。暗与强的色彩给人粗糙、淳朴感，明、轻、弱的色彩给人细润、丰满感。在情感上，艳丽的颜色一般与兴奋、愉快的情绪密切相关，而淡雅的颜色则与冷静、平淡的情绪密切相关。

因此，在工业设计中，如果人们能更深层次地了解到人们对于颜色感知的影响因素，就能够更加科学的使用颜色这一要素，为设计增加更多可控性和亮点。

二、色彩感知的研究现状

通常情况下，人们认为对于颜色的感知是一种知觉现象，是先天决定的，但近年来，有人认为是后天的认知影响了人们对颜色的感知，而检验颜色的后天认知与颜色感知之间关系的典型方法是对颜色类别知觉的研究。人类在知觉颜色时,可以把连续的光谱分为不同的类别(红、绿、蓝等)进行感知。在颜色距离相同的前提下,个体区分不同类别的色块比区分同一类别色块更快、更准确，这种现象被定义为颜色类别知觉效 应（Categorical Perception of Color），以下简称颜色CP效应。目前对颜色类别知觉的研究存在三种理论假说：普遍进化理论、语言关联假说（Sapir-Whorf假说）、相互作用理论。

1、普遍进化理论认为,是先天的颜色感知影响了人们后天的颜色认知，是颜色的物理性质和人体的生理规律共同决定了对颜色的感知，并在感知的基础上产生了后天对颜色的认知，分化出了不同的颜色词语。对于颜色的感知是一种知觉现象，是普遍存在的，语言无法对其产生影响。研究者们从以下几个方面证实了这一观点：

（1） 语义分析法：1969年，博林（Berlin）和凯（Kay）对20种语言的颜色命名数据采用语义分析的方法进行分析后，提出了一种普遍性假设，语言中对颜色不同的命名是基于颜色感知的，在不同语言之中普遍存在11种基本的颜色类别：黑、白、红、黄、绿、蓝、棕、紫、粉红、橙和灰，在语言中对颜色更多的描述词都是由这11种基本颜色提取扩充出来的。这一结果为普遍进化理论的研究提供了重要证据。

（2） 在习得语言前的婴儿身上发现颜色CP效应：蓬斯坦（Bornstein）等人对四个月的婴儿使用习惯化范式进行实验，结果发现婴儿不仅能感知颜色，并且能以和成人相同的方式感知颜色，存在着对色相的初级分类。

2、支持语言关联假说的研究者认为，不同地区的人们根据母语中不同的颜色词，对看到的颜色进行分类和感知。语言极大地影响着人们对颜色的感知和颜色分类边界，甚至完全塑造了对颜色的感知。研究方向主要有以下几点:

（1）颜色类别知觉的跨文化研究：威纳维尔（Winawer）采用两项迫选任务对俄罗斯人和英国人进行实验，结果发现俄罗斯人在区分浅蓝色和深蓝色时表现出了颜色CP效应，英国人在区分同样的两种颜色时则没有表现出该效应，语言背景影响了人们的色彩感知。

（2）颜色类别知觉效应的左脑偏侧化：颜色CP效应的偏侧化优势是吉尔伯特（Gilbert）等人在英国被试进行色环搜索实验时发现的，实验结果表明，只有当目标色块出现在右视野时，会出现显著的颜色CP效应，吉尔伯特等人认为被试在区分右视野色块时受到了左脑的颜色词汇的辅助影响。

（3）神经生理学研究：随着技术的发展，更多研究从神经生理学层面支持了语言关联假说。蒂埃里（Thierry）采用ERP技术对希腊人和英国人进行Oddball实验，发现希腊人在观看两个蓝色时的视觉失匹配负波（vMMN）要显著大于两个绿色刺激，而英国人观看两个蓝色和两个绿色的vMMN无显著差异。

在普遍进化理论和语言关联假说的研究中都有研究者发现了不同的结果。随着研究的深入，研究方法的多样化，近年来，有研究者提出，颜色的感知既受到先天知觉的影响，也受到后天认知的影响，二者相互作用，共同决定了人们对颜色的感知。其中张积家等人在查阅了大量的文献研究资料后，提出了“颜色词与颜色认知关系的相互作用理论”(Interactive Theory of Color Terms and Color Cognition)，该理论认为，影响颜色感知的因素有物理、生理、认知、智力、语言和文化六个因素。

基于以上分歧，本研究将从两个方向上采用实验手段对影响颜色感知的因素进行探究。

三、实验1：颜色的学习对颜色感知的直接影响

1、方法

（1） 被试

36名在校大学生，其中学习组A组13名（男生7名，女生6名），学习组B组13名（男生7名，女生6名），对照组10名（均为男生），平均年龄为24.25岁，母语均为汉语，全员右利手，视力正常。所有被试都通过了实验前的被试筛选，即：实验前所有被试的蓝绿颜色分界均落在G3和B1之间，被试认为 G1、G2、G3为绿色，B1、B2、B3为蓝色。

（2） 仪器

实验程序采用E-prime 3.0软件编程。实验刺激用Acer22英寸专业显示器呈现，屏幕分辨率为1680×1050像素。实验时双眼距离屏幕距离约为70厘米。

（3） 材料

材 料 选 用 G3（13,160,147）、B1（0,159,168）、B2（0,157,188）、B3（49,151，202）四种颜色（图1），呈现在RGB值为（192,192,192）灰色背景上，在实验中四种颜色按照类别、色差两两组合共有四种组合方式：

图1：笔者，实验材料

①色差为1个距离类别关系为类别间：G3-B1。

②色差为1个距离类别关系为类别内：B2-B3。

③色差为2个距离类别关系为类别间：G3-B2。

④色差为2个距离类别关系为类别内：B1-B3。

每个颜色对里目标颜色和干扰颜色可以互相交换，目标颜色可能出现在左右两个位置，即共有4×2×2种组合方式。每种组合出现十次。共160个试次,随机呈现。为防止被试在按键时形成节奏感，影响反应时，将相邻两个试次之间的时间间隔设为500～1000毫秒之间的随机数。

（4） 设计与程序

实验采用2（类别：类别间/类别内）×2（色块距离：色差1/色差2）×2（测试时间：前测/后测）三因素设计。在前测的正式实验前，为了使被试了解实验流程，被试需要先做一个与正式实验流程一致，仅包含有32个试次的练习实验。正式实验的流程（图2）为：在灰色背景上，首先呈现随机时间为500～1000毫秒之间的红色“+”注视点，然后在屏幕上出现被试判断界面，被试需要在保证正确率的情况下快速判断下部两个色块中哪个色块与上方颜色一致，如果左边的色块与上方色块一致，按“F”键，如果右边的色块与上方色块一致，按“J”键。被试按键后跳转到下一试次，若判断界面呈现2500毫秒后被试仍未按键，则直接跳转到下一试次。系统记录从呈现被试判断界面到被试按键的反应时间和被试按键的错误率，计时单位为毫秒，误差为±1毫秒。实验组A、实验组B、对照组经过六天的训练达到训练目标后，进行后测实验，后测实验的实验流程、实验时间段及实验材料均与前测相同。

图2：笔者，二项迫选实验流程

（5） 训练任务流程

在识记任务中，首先呈现红色“+”注视点500毫秒，随后在灰色背景上呈现一个色块，同时呈现该色块的新名字和读音，被试识记该色块的新名字后按空格键进入下一个试次，识记任务包含60个试次。在命名任务中，首先呈现红色“+”注视点600毫秒，随后在灰色背景上呈现一个色块，要求被试使用特制键盘按键，以刚刚学习的新名字命名该色块。若被试命名正确，则屏幕呈现“✔”和该色块的正确读音，同时以声音反馈被试：“答对了”。若被试命名错误，则屏幕呈现“✘”和该色块的正确读音，同时以声音反馈被试：“答错了，该色块为（正确的新名字）色”。被试再次识记正确的新名字后按空格键进入下一个试次，命名任务包含60个试次，记录被试命名任务的正确率。在匹配任务中，首先呈现600毫秒的注视点“+”，随后在灰色背景上呈现一个色块，并同时出现声音，声音为四个新名字中随机的一个的读音，要求被试判断呈现的色块与声音是否匹配，若匹配，按“M”键，若不匹配，按“X”键。若被试按键正确，则屏幕呈现“✔”和该色块的正确读音，同时以声音反馈被试：“答对了”。若被试命名错误，则屏幕呈现“✘”和该色块的正确读音，同时以声音反馈被试：“答错了，该色块为（正确的新名字）色”。被试再次识记正确的新名字后按空格键进入下一个试次，匹配任务学习组A组包含40个试次，学习组B组和对照组包含60个试次，记录被试匹配任务的正确率。

2、结果与分析

根据实验目的，本实验的分析重点在同等色差条件下被试对类别间、类别内的反应时及正确率差异；各训练组在训练前后的反应时及正确率差异；不同训练组在训练后的反应时及正确率差异。因为被试在做出反应之前，刺激一直存在于屏幕上，所以实验准确率很高，前测实验被试总的正确率为96.49%，数据分析时剔除错误反应试次和M±2SD之外的数据，所有被试的颜色辨别的总体正确率均高于90%。

（1） 实验组A前后测对比分析

在反应时上进行2（色差1/色差2）×2（类别间/类别内）×2（前测/后测）的重复测量方差分析。结果发现色差主效应显著，色差为1条件比色差为2条件反应时显著更长，p<0.001；类别的主效应显著，类别内条件比类别间条件反应时显著更长，p<0.001；测量时间的主效应边缘显著，前测比后测反应时显著更长，p=0.063。色差和类别的交互效应显著，p<0.05。进一步通过简单效应分析发现，对于类别效应，无论在色差为1还是在色差为2的条件下，类别内条件都比类别间条件反应时显著更长。

正确率的方差分析表明，色差的主效应显著，色差为2的正确率显著大于色差为1的正确率，p<0.01；类别的主效应边缘显著，类别间条件的正确率显著大于类别内条件，p=0.062。色差和类别的交互效应边缘显著，p=0.06。

（2） 实验组B前后测对比分析

对实验组B的反应时进行2（色差1/色差2）×2（类别间/类别内）×2（前测/后测）重复测量方差分析。结果发现色差主效应显著，色差为1条件比色差为2条件反应时显著更长，p<0.001；类别的主效应显著，类别内条件比类别间条件反应时显著更长，p<0.01；测量时间的主效应边缘显著，前测比后测反应时显著更长，p=0.06。色差和类别的交互效应显著，p<0.01。测量时间、色差、类别的交互作用边缘显著，p=0.056。进一步通过简单效应分析发现，对于类别效应，在色差为1和色差为2条件下，类别内条件都比类别间条件反应时显著更长。对于色差效应，无论在类别间还是类别内条件下，色差为1的反应时都比色差为2的反应时显著更长。对三因素交互作用进行简单效应分析，结果显示，在色差为1类别内条件下，前测比后测反应时显著更长，p<0.05，在色差为1类别间条件下，前测与后测反应时无显著差异，p=0.17；在色差为2条件下，前测比后测反应时显著更长；无论在前测还是后测，类别间还是类别内，色差为1条件下的反应时都显著大于色差为1条件下的反应时（p<0.001）；无论在前测还是后测，色差1还是色差2，类别内条件下的反应时均大于类别间条件的反应时（p<0.05），其中在前测色差2条件下，类别效应边缘显著，类别内反应时显著大于类别间反应时，p=0.078。

正确率的方差分析表明，色差的主效应显著，色差为2的正确率显著大于色差为1的正确率，p<0.01。

（3） 对照组前后测对比分析

对对照组的反应时进行2（色差1/色差2）×2（类别间/类别内）×2（前测/后测）重复测量方差分析，结果发现色差主效应显著，色差为1条件比色差为2条件反应时显著更长，p<0.001；类别的主效应显著，类别内条件比类别间条件反应时显著更长，p<0.05；色差和类别的交互效应显著，p<0.05。其余效应均不显著。进一步通过简单效应分析发现，对于类别效应，在色差为1条件下，类别内条件比类别间条件反应时显著更长，p<0.05。在色差为2条件下，类别内条件与类别间条件的反应时无显著差异，p=0.81。对于色差效应，无论在类别间还是类别内条件下，色差为1的反应时都比色差为2的反应时显著更长，对于类别间，p<0.001；对于类别内，p<0.001。

正确率的方差分析表明，色差的主效应显著，色差为2的正确率显著大于色差为1的正确率，p<0.01。

3、讨论

被试对类别间试次的辨别能力更强，这与前人研究结果一致。总体上来说，本实验得出的结果如下：（1）人们对颜色的差异敏感，被试更容易区分色差大的两个颜色；（2）在颜色差异相等的前提下，人们区分类别间的两个颜色比区分类别内两个颜色要更容易，即颜色CP效应的证实；（3）训练过程即颜色词的习得过程可以影响人们对颜色的感知。但本研究预期实验结果是实验组B类别间颜色对（训练后变为类别内）的后测反应时显著长于前测，实际实验结果显示B组对类别间颜色对的辨别反应时在训练前后无显著差异，因此需要更进一步的研究来解释这一现象。

四、实验2：颜色的学习影响颜色感知的脑机制

1、方法

（1） 被试

对26名被试大学生进行了测试，其中有三名被试的数据因伪迹过多、信号质量差等原因被排除在外。最后共有23名符合实验要求的被试数据被记录，其中学习组A组12名（男生六名，女生六名），学习组B组11名（男生五名，女生六名），平均年龄为24.08岁，母语均为汉语，无视觉类疾病，身体健康。所有被试均通过了实验前的被试筛选，并在实验前签署了实验知情同意书。实验前要求所有被试保持规律的作息和良好的饮食习惯。

（2） 仪器

实验程序采用E-prime 3.0软件编程。实验刺激用Acer22英寸专业显示器呈现,屏幕分辨率为1680×1050像素。双眼与屏幕的距离约为70厘米。脑电记录仪器采用Neuroscan公司的64导脑电帽，以双侧乳突点为参考电极,垂直眼电由放置在左眼上下侧的电极记录，水平眼电由放置在两眼外侧的电极记录。信号采样率是1000赫兹，在实验过程中，头皮与电极的接触电阻均小于15千欧姆。记录时根据被试需求调整脑电帽松紧度，要求被试脚底平放于地面，调整好坐姿，实验中保持呼吸平稳，尽量不移动身体。

（3） 实验材料及流程

实验采用2（类别：类别间/类别内）×2（色差：色差1/色差2）×2（实验组别：学习组A组/学习组B组）三因素混合设计，其中实验组别为被试间变量，类别和色块距离为被试内变量。

在经过如第三节实验1中“训练任务流程”所示的训练任务后，进行脑电实验。如图3所示，将实验材料制作为圆形或方形颜色块。其中标准刺激和偏差刺激是圆形色块，但偏差刺激与标准刺激颜色不同，目标刺激是方形色块。做好实验前准备后，提示被试开始练习实验。被试完成练习实验，确认理解实验要求后进入正式试验。正式实验流程如图4所示，每个刺激的出现时间为800毫秒，相邻两个色块的显示时间间隔是200毫秒。实验共有四个区组，每个区组包含300个色块，将300个色块分为30组，每组10个色块，在这10个色块中伪随机的呈现七次标准刺激，两次偏差刺激(不连续呈现)，一次目标刺激，30组色块的呈现顺序随机。每个区组的实验时长为五分钟，每相邻两个区组之间要求被试闭眼休息五分钟，一次完整的脑电实验时长为35分钟。另外需要解释的是，本实验试次的确定是在蒂埃里等人的研究基础上，通过多次预实验调整后确定的，满足诱发vMMN的条件且实验过程中被试的疲劳程度适中。

图3：笔者，各区组的标准刺激、偏差刺激、目标刺激设置

图4：笔者，脑电实验流程（图为1个区组，正式实验包含4个区组）

2、结果与分析

实验采用Neuroscan公司的Curry8软件对原始数据进行处理，具体步骤如下：参考电极选择双侧乳突（M1、M2），采用低通20赫兹进行滤波，去除眼电，肌电等伪迹，以刺激呈现为标记点，选择刺激呈现前100毫秒到呈现后700毫秒的时间段进行分段，用刺激呈现前100毫秒的脑电作基线矫正。根据前人研究，vMMN在枕部区域最大，将枕部电极 O1，O2，Oz，POz，PO3，PO4，PO7，PO8合成一个电极，对相同刺激条件下的数据进行叠加处理，经过基线矫正和平均后得出每个被试在不同刺激条件下的平均脑电波形，最后由偏差刺激减去标准刺激，得到各条件下失匹配负波的波形。最后根据总平均图，确定本实验vMMN的测量窗口为200～300毫秒。

所有被试对目标刺激的命中率均大于95%，表明被试对目标刺激投入了更多的注意。取刺激呈现后200～300毫秒时间窗内N2的波幅进行测量，结果显示，在两个实验组中目标刺激都比标准刺激诱发了更大的N2（图5）。F（1,22）=25.52，p<0.001，η2=0.54。被试对目标刺激的反应模式符合诱发vMMN的条件。

图5：笔者，目标刺激的N2大于标准刺激的N2

对两组被试的vMMN的波幅和潜伏期进行2（类别：类别间/类别内）×2（色差：色差1/色差2）×2（组别：学习组A组/学习组B组）重复测量方差分析。

（1） 波幅

将各条件下偏差刺激的波形与标准刺激的波形相减（图6），得到vMMN波（图7），对vMMN波幅进行分析。结果发现实验组A比实验组B的波幅显著更大，p<0.05。色差为2条件比色差为1条件波幅显著更大，p<0.05。类别间条件比类别内条件波幅显著更大，p=0.067。色差和类别的交互效应显著；色差和组别的交互效应显著；类别和组别的交互效应边缘显著。

图6：笔者，实验组A和实验组B各实验条件下目标刺激与标准刺激的平均波形：a.实验组A色差1各条件下波形；b.实验组A色差2各条件下波形；c.实验组B色差1各条件下波形；d.实验组B色差2各条件下波形。

图7：笔者，实验组A和实验组B各条件下的vMMN

进一步通过简单效应分析发现，实验组A在类别间刺激产生的vMMN波幅显著大于类别内，p<0.05，实验组B在类别间刺激产生的vMMN波幅与类别内无显著差异，p>0.1；对实验组A和实验组B进行分析，结果发现实验组A在类别间刺激产生的vMMN波幅显著大于实验组B，p=0.01，实验组A在类别内刺激产生的vMMN波幅与实验组B无显著差异，p>0.1。

（2） 潜伏期

对vMMN潜伏期进行分析。结果显示色差、类别、组别的主效应均不显著，色差和组别交互作用显著，p<0.05，其余交互效应均不显著。简单效应分析显示，实验组B的色差效应边缘显著，色差为2时的潜伏期长于色差为1时的潜伏期，p=0.052。

3、讨论

脑电数据的结果表明，组别、色差、类别主效应均显著，这与行为学结果一致。对两实验组整体进行对比：受到训练的影响，组A在四个区组的实验中都产生了颜色类别效应，普遍诱发出更大的vMMN；而实验组B训练后将原类别间颜色认知为类别内颜色，类别内颜色认知为类别间颜色，训练过程可能并不能完全擦除原有语言标签对实验的影响，训练后组B原类别间颜色对（G3/B1、G3/B2）类别效应被抑制，原类别内颜色对（B2/B3、B1/B3）的类别效应被有限度地增强。因此组A的波幅显著大于组B的波幅。训练后，实验组A和实验组B类别间颜色对的vMMN波幅表现出显著差异，提示后天的颜色学习影响了对颜色的感知，从潜伏期上看，这一学习过程对颜色感知的影响发生在注意早期阶段，这与蒂埃里的研究结果相似，实验采用Oddball范式诱发，提示了颜色感知加工的自动性。

总的来说，脑电实验得到的结论如下：（1）脑电结果与行为学结果一致，相互支撑印证，在结果中都表现出对颜色差异的敏感性和显著的颜色CP效应。（2）颜色感知具有可塑性，后天的颜色学习可以影响对颜色的感知，加强颜色边界的组别诱发出了更大的vMMN。（3）对颜色的感知和认知加工是自动加工过程，发生在注意的早期阶段，颜色学习对感知的影响可直接作用于注意早期阶段。

五、总结

通过对两组实验的结果进行分析可以得出以下结论：

1、人们普遍对颜色的差异敏感，辨别颜色距离为2的两个颜色要快于颜色距离为1的两个颜色；

2、当颜色距离相同时，人们区分类别间的颜色对要显著快于类别内颜色对，表明颜色CP效应的存在；

3、脑电实验结果与行为学实验结果一致，视觉差异波的波幅可以作为颜色CP效应的指标，当色差相同时，类别间的两个颜色会诱发出更大的视觉差异波（vMMN）；

4、后天的学习与认知影响了人们对颜色的感知。相比学习前，学习后加强颜色边界的组别比学习后消除颜色边界的组别识别同一组颜色要更加容易。在脑电结果中表现为诱发出了更大的视觉差异波（vMMN）；

5、对颜色类别的感知和认知加工发生在注意的早期阶段，是自动加工过程，颜色知识的后天学习可直接影响于颜色感知的早期阶段。

人们追求更高的生活品质，对于生活所处环境、日常产品、屏幕交互等方面的颜色要求也越来越高，在未来的设计中，我们应充分把握颜色的感知规律，针对不同年龄段人群的感知特点、影响因素，对生产生活所接触到的颜色体系进行合理科学的设计规划，以使颜色更符合人们的生理舒适度和心理舒适度；本研究的结果支持人们对于颜色的感知具有一定的后天可塑性，相关研究表明儿童色感的发展有利于形象思维的形成，同时视觉感知的训练对广泛性发育障碍类疾病也有一定的干预作用，因此可建立颜色学习训练的相关模型套件及配套APP，应用于艺术设计教育、儿童早期教育、自闭症早期干预中；在工程领域，可基于颜色的感知规律对机器设备、警示标识、人机交互界面进行改良设计，使工程中的色彩环境更符合人机工学，达到缓解视觉疲劳、提高警觉度、减小操作错误率等目的。