任务一 颜色的认知

一、光与色

1.电磁波与可见光

光是一种电磁波，是太阳照射到地球表面的全部波段的一部分。光(电磁波) 的传播速度是 c=3×10⁵km / s，光速(c) 、波长(λ) 和频率(ν) 的关系是 c = λν。光速不变，波长与频率成反比，即波长越长则频率越小。可见光是人眼睛能感知的电磁波，其波长在 380 ～ 780nm 之间。波长小于 380nm 的电磁波是紫外光，波长大于 780nm 的电磁波是红外光。见图 1-1。

2.可见光的波长与颜色

人们看到的光是白色的，包含着全部波长的所有光线。当一束白色的光通过具有折射功能的三棱镜的时候，我们就会看到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色光。见图 1-2。这是因为可见光的颜色不同，波长不同，折射系数也就不同，因此，白光不是单色光，也就是说白光是复合光，是由若干有色单色光复合而成的。各种颜色的可见光的近似波长范围见表 1-1。

图 1-1 可见光在电磁波谱中的位置

图 1-2 光的色散

表 1-1 各种颜色的可见光的近似波长范围

3.单色光与复合光

在光谱中每种波长的有色光称为单色光。太阳光和其他光源的光都是由单色光组成的复色光。把复色光分解成若干单色光叫做分光(色散原理) ，光源不同其单色光的组成也不相同。把不同波长的单色光按不同的比例混合可以得到不同的有色光叫做光的混合。

4.物体对光的反射、吸收与透射

当光照射到物体的表面时，物体会对光表现出三种特性---反射、吸收、透射。

(1) 反射。反射就是将入射的光线按入射光的法线方向反射出去。物体对光的反射有三种形式:理想镜面的全反射、粗糙表面反射和半光泽面的吸收反射。实际生活中绝大多数彩色物体表面既不是理想的镜面，也不是完全的漫反射体，而是两者之间的半光泽表面。颜色一样，表面结构不同，镜面效果不一样，也会影响视觉效果。

(2) 吸收。吸收有两种形式，非选择性吸收和选择性吸收。如果物体对光源中所有波长的光都等量吸收，称为非选择性吸收。例如灰色物体，对所有波长的光都等量吸收所以呈现出灰色; 如果物体对入射光中的某些波长的光吸收多一些，而对某些波长的光吸收少一些或不吸收，这种不等量的吸收入射光称为选择性吸收。物体表面之所以能吸收一定波长的光，是由物质的化学结构决定的。不同物体由于其分子和原子的结构不同，而具有不同的本征频率，因此，当入射光照射在物体上，某一光波的频率与物体的本征频率相匹配时，物体就吸收这一波长光的辐射能，是电子能级跃迁到高能级的轨道上，这就是光的吸收。

(3) 透射。透射就是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体是透明体或半透明体，如玻璃、滤色片等。

5.物体的颜色

首先颜色是光对人眼睛刺激的结果。没有光就没有颜色的感觉，有光才有颜色感觉。光线弱时只能看到物体灰色的轮廓。那么物体在有光的情况下为什么会呈现出不同的颜色呢?

物体对光有吸收、反射和透射三种特性，不同的物质由于自身化学结构和表面结构的不同，对光源中不同单色光的吸收、反射、透射的程度也不相同。

如果对单色光是等能量的吸收、反射、透射，则光(复合) 通过物体吸收、反射、透射后刺激人们眼睛产生的感觉是白色(光源颜色) 、灰色(光源减弱下的颜色) 、黑色(没有光源光的刺激) 。

如果对单色光不是等能量而是有选择性的吸收、反射、透射，则光(复合) 通过物体吸收、反射、透射后刺激人们眼睛产生的感觉是这些光混合后的颜色。对于纺织品织物上的颜色，一般不考虑透射的情况，那么入射光一部分被吸收而另一部分被反射。刺激人们眼睛的光就是物体选择性吸收(复合光) 后剩下的那部分反射光，物体不同，这部分反射光的组成也就不同，反射光的组成不同，他们混合后形成的颜色也就不同。而且反射光越强颜色越浅，反之越深。

二、颜色的三要素

如前所述，颜色是物体对不同波长光的吸收特性，表现在人视觉上所产生的反映。眼睛观察事物感受到的色泽特征是色调、纯度和亮度。称为颜色的基本特征或颜色的三要素。其中色调和纯度常常并称为色度。熟悉和掌握颜色的三要素，对于描述和分辨颜色是极为重要的。如图 1-3 所示。

1.色调(Hue)

色调(H) 也称为色相、色名、色别等，它是指颜色的不同相貌，是颜色最主要的特征，也是区分颜色的主要依据。非发光物体的色调取决于光源的光谱和物体表面反射光和透射光的光谱。对于单色光来说，色调完全取决于该光的波长; 对于混合光来说，色调则取决于各种波长光的相对量。

图 1-3 颜色的三要素

2.纯度(Chroma)

纯度(C) 也称为饱和度、鲜艳度、彩度和灰度，是指物体颜色接近光谱色的程度。凡是有纯度的色彩，必然有相应的色相感，某颜色的色相感表现越明显，它的纯度值就越高，反之，则越低。纯度只属于有彩色范围内的关系，纯度取决于可见光波长的单纯程度，当各种波长的光混合时，就是无纯度的白光了。在色彩中，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等基本色相纯度最高，在纯色颜料中加入白色或黑色饱和度就会降低，黑、白、灰色纯度等于零。

色相和纯度又称为色度。对于彩色来说，色相和纯度起主要作用，而对于消色(无彩色) 来说，没有纯度和色相这两个特征，只有明度(明度) 的差别。

3.明度(Light)

有色物体单位表面所反射出光的强弱程度，称为明度。明度又称亮度。在三维颜色空间亮度垂直于色度(色相与纯度) 平面。颜色的亮度可以用反射率来表示。反射率越大颜色亮度越大，反之颜色的亮度越小。对于无彩色，黑色明度为 0(全吸收) ，白色明度为 100(全反射) ，灰色明度在 0 ～100 之间; 对于相同色度下的彩色来说情况与无彩色相同。

4.颜色深浅与浓淡

颜色的深浅与颜色的浓淡都是三要素中的亮度的范畴。

(1) 颜色的深浅，在理论上说颜色的色相是由其最大吸收波长所决定的。最大吸收波长增大，颜色就深(深色效应) ，最大吸收波长减小，颜色就浅(浅色效应) 。它与颜色的色相直接相关。也就是说颜色的深浅是在不同色相之间进行比较。一般颜色由深至浅的顺序为:黄-橙-红-绿-青-蓝-紫。

(2) 颜色的浓淡，是指相同色度吸收和反射光的多少，一般与颜料(或染料) 的浓度成正比。染料浓度越大颜色就越浓; 染料浓度越小颜色就越淡。这个与库-蒙深度公式 K/S=(1-R)²/2R = kc 比较一致。用于相同色度或近似色度(印染仿色的范畴) 之间进行比较。

在印染仿色实践中，在描述亮度时，习惯说颜色的深浅而不习惯于说颜色的浓淡，这里的深浅包含了深浅和浓淡两层含义。比如说，色度相同的某个颜色太浅了，就是染料浓度需要加浓一些。染液的浓淡就是颜色的深浅; 比如说，某蓝色不够深的话，那么加红光后颜色可能会略深(显得浓色一些) ; 如果某红色不够浅的话，加黄光后可能颜色会变浅(显得淡色一些) 。这是色相的变化带来亮度变化造成的。这在实际工作中经常碰到。

三、颜色空间

由于三要素的三个变量选择的不同，常见有用三原色代表三维的 RGB 和 CMY 颜色空间以及用三要素代表三维的孟塞尔色立体颜色空间和 CIEL^* a^* b^* 颜色空间。

1.RGB 与 CMY 色度空间

RGB 模式即色光颜色模式，主要用于摄影和银屏显示; CMY 模式即色料颜色模式，主要用于印刷印染行业。见图 1-4，图中坐标以百分数表示。RGB 模式中白的坐标(1，1，1) 表示 RGB三原光的量(光通量) 都是 100%。而 CMY 模式中黑的坐标(1，1，1) 表示三原色的量(浓度) 都是 100%。空间中的任意一点(颜色) 都能用其三维坐标来表示。RGB 空间模式应用于显示器等光学系统，CMY 空间模式主要应用于印染、印刷行业。

图 1-4 CMY 与 RGB 立方体

在光栅图形显示器上，把每个原色(RGB) 设定 256(28) 个灰度，3 个原色混合又可以获得红、绿、蓝、青、品、黄、黑、白 8 个颜色。那么这 3 种原色可以组成 2^3×8= 2²⁴= 1677.7 万种颜色。这就是 RGB 空间的真彩色模式。三原色混合就是 8 位索引模式。

2.孟塞尔色立体

孟塞尔(A.H.Munsell) 色立体创立于 1905 年(彩图 1) ，孟塞尔色系是基于色彩三要素并结合人的色彩视觉心理因素而制订的色彩体系。所谓颜色知觉是为了区别人对物体形状和大小判断的视觉功能，指的是单纯由于光刺激而产生的视觉特征。

例如，在标准光源照明条件下，用肉眼直接观察物体时，通过大脑的分析判断而产生的颜色视觉特征，就称之为色知觉，此时的颜色称为知觉色。知觉色是把各种颜色的样卡，按照它们的知觉属性系统地排列起来，并用不同的符号加以标记制作而成。孟塞尔表色系统，就其表色原理来讲，是一种物体表面知觉色的心理颜色的属性，即每个颜色在色相、纯度、明度组成的圆柱坐标系中对应着一点，并且在这个坐标系中的色相、明度和纯度在视觉上都是等距离的，色卡间的色差与这个颜色空间中两个颜色点之间的直线距离成比例。

孟塞尔表色系统的中心轴为黑-灰-白的明暗系列，以此作为有彩色系各颜色的明度标尺，理想白色在中心轴的上端，明度值 V=10，绝对黑色在下端，明度值 V=0，V 在 0 ～10 之间分成 11个等间隔的等级，因为0 和10 实际上是不存在的，所以实际的图中只有1 ～9 共9 个明度等级。由中性色黑、白、灰组成的这一中心轴以 N 为标志，黑以 B 或 BL 为标志，白以 W 为标志。孟塞尔纯度是以自中心轴至表层的横向水平线表示的，处于中心轴上的无彩色纯度为0，以渐增的等间隔均分为若干纯度等级，离中心轴越远，纯度越高。不同颜色纯度的最大值是不同的，个别最饱和颜色的纯度值可达20。在孟塞尔表色图中，明度的间隔为 1，纯度的间隔为 2，孟塞尔色相以围绕中心轴的环形结构来表示，常称为孟塞尔色相环。

孟塞尔色相环由 5 个基本色相，即红(R) 、黄(Y) 、绿(G) 、蓝(B) 、紫(P) ，它们的中间色相，即黄红(YR) 、绿黄(GY) 、蓝绿(BG) 、蓝紫(BP) 、红紫(RP) ，共 10 个色相组成。为了对色相更详细的划分，每种色相又分为 10 个等级，总共有 100 个色相刻度，例如，红以 1R、2R……10R 表示，且以 5R 为此色的代表色。同理，5Y 为黄色的代表色，5RP 为红紫色的代表色。色相直径两端的一对色相构成余色关系，色相是按光谱色作顺时针方向排列的，前一色相中的 10 是后一色相的 0，如 10R 即为 0YR。

孟塞尔表色体系是以色相(H) 、明度(V) 、纯度(C) 来表示的，将色相、明度、纯度按特定的顺序赋予了一定的编号。在实际应用中可以用一组孟塞尔表色系统的参数表示，其表示方法为:H-V/C，即色相-明度/纯度。例如:5R-4/14，5R 为红色，明度中等，纯度很高，所以它是一个中等深度的、非常鲜艳的红色。而 8Y-8/12，因 8Y 的色相是在 5Y(黄色) 和 5GY(绿黄) 之间，因此是一个带绿光的黄色，由于明度和纯度都很高，所以它是一个颜色比较浅，但很鲜艳的绿光黄色。对于无彩色的黑白系列，通常表示为 N-V，即中性色-明度值。明度值为5 的中性色则可以表示为 N-5。严格地说，中心色纯度为 0，但在实际使用中把纯度低于 0.5 的颜色也归于中性色。为了能更准确地表示其颜色特性，常常要注明其微小的纯度和色相，这时的表示方法是 N-V/(H-C) ，即中性色-明度/(色相-纯度) 。如 N-1.4/(4.5PB-0.3) ，表示一个稍带紫蓝色相的黑色，当然也可以表示为 H-V/C 的形式，即 4.5PB-1.4/0.3。

除了孟塞尔色立体外，还有奥史特瓦尔德色立体、日本色彩研究所色立体和中国 CNCS 色立体以及奥图伦格色球(彩图 2) 等。

3.CIEL^*a^*b^*色度空间

CIEL^*a^*b^*颜色空间是由 CIEXYZ 系统通过数学转换得到的。转换公式为:

L^*= 116 (Y / Y₀)^{1 /3}-16

a^*= 500(X / X₀)^{1 /3}-500(Y / Y₀)^{1 /3}

b^*= 200(Y / Y₀)^{1 /3}-200(Z / Z₀)^{1 /3}

式中 X、Y、Z 为物体的三刺激值; X₀、Y₀、Z₀分别为 CIE 标准照明体的三刺激值。L^*为明暗度，越接近 0，颜色越暗; 越接近 100，颜色越亮，如图 1-5 所示。

a^*、b^*为色度坐标，a^*表示红，-a^*表示绿; b^*表示黄，-b^*表示蓝。a^*、b^*值确定颜色的色相，也可以用色相角 h(可以通过 a^*、b^*值计算出来) ，相当于孟塞尔立体中的 H。C 表示原点到 a^*b^*坐标平面任意一点的距离---代表颜色的纯度，相当于孟塞尔立体中的纯度 C。L 为明度，对应孟塞尔立体中的明度 V。CIEL^*a^*b^*颜色空间示意图见彩图 3。

图 1-5 明暗度 L^*示意图