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【光学课堂】色彩和光的知识01-让我们来研究颜色

2019-11-05 20:38

色彩和光的知识01

颜色是一种有关感觉和主观解释的问题。即使他们看着同一物体（在这里是说一个苹果），人们将依不同的标准和经历以迥然不同的字眼来表达同一种颜色。因为要表达一种颜色有各种各样的方法，要向某人描述某种特定颜色是很难说得一清二楚的。如果我们对某人描述苹果的颜色是“火红色的”，我们是否能指望他们准确地再现这种颜色呢？用言语来表达颜色是复杂而困难的。然而，如果有一种标准的方法能精确地表示颜色并为每个人所理解，则色彩信息的交流就可以更加顺当，更加简单和精确。这种精确的色彩信息交流将解决种种与颜色有关的问题。

用来表达颜色的名词常随时代而变。例如我们谈到的红色就有“朱红”、“品红”、“玫瑰红”、“草莓红”和“绯红”等。这些称为“惯用色名”，通过分析颜色的状态，并加上“鲜”、“暗”、“深”等形容词，我们描述颜色就可以更加准确一些。如在上一页，有人用“鲜红”这一类词语被称为系统色名。尽管我们已用很多方法来描述颜色，不同的人在听到“绯红”或“鲜红”时会以不同的方式来解释这种表达方式。因此，用语言来表达颜色仍然是不够准确的。那么怎样来表达颜色才不至于被误解呢？

大概很多人都有这种经验，一个摆在蔬菜水果店里的苹果在阳光照射下，显得如此美味可口，如果放在家里的日光灯下看起来就不是那么好了。
阳光、日光灯、钨丝灯等，每一种照明都使同一个苹果看起来不一样。

放在明亮背景之前的苹果看起来要比放在暗背景之前的来得黯淡。
这被称之为对比效应。对于要准确地判断颜色来说，这是不利的。

当我们从两个稍稍不同的角度观察一辆小车时，车上的某点看起来会有阴暗之差。这是由于车上的涂料有方向特性的缘故。某种带色的材料，特别是金属涂料有强烈的方向特性。对于精确的色彩交流，对某物的观察角和照明角必须保持恒定。

每个人的眼睛的灵敏度总是稍微有差别的，甚至认为色视觉正常的人，对红或蓝仍可能有所偏倚。还有，一个人的视力通常随年龄的增大而改变。
由于这些因素，各种颜色在不同的人看来是不一样的。

有人在查看了墙纸的小块样片以后选择了他认为很好的一种，但当墙纸贴到墙上去之后却又觉得太亮了一点。覆盖在大面积上的看起来更明亮和更鲜艳，这就是所谓的面积效应。挑选大面积的物体却根据小面积的色样会产生错误。

左图上有两个红球。乍一看，它们都是一样的红色，但仔细观察一下你就会发现它们在好几方面都是不一样的。两球都是红色，但上球的颜色较为明亮，下球则较暗。还有，上球的颜色显得鲜艳。可见，即使两球看起来都是红的，但它们的颜色却是不一样的。当将颜色分类时，它们可以以构成颜色的三个属性来表示，即：色调、亮度和色饱和度（鲜艳度）。

苹果是红的，柠檬是黄的，天是蓝的，这就是我们大家以日常用语对颜色的判断。我们用色调这一术语在色彩世界里把颜色区分为红、黄、蓝等类别。还有，虽然黄和红是两种截然不同的色调，但是把黄和红混合在一起就产生了橙色（有时称之为黄-红）：混合黄和绿产生黄-绿；混合蓝和绿则产生蓝-绿，等等。把这些色调衔接排列，就形成如图1所示的色环。

当比较各种颜色的亮度（颜色的明亮程度如何）时，颜色就有明亮和深暗之分。例如，将柠檬的黄色和葡萄柚的黄色来说，毫无疑问，柠檬的黄色就比较明亮。把柠檬的黄色和欧洲甜樱桃的红色相比，显然，也是柠檬黄比较明亮。可见，颜色亮度的测量与色调无关。现在，让我们来看一看图2。图2是图1沿A（绿）B（紫红）直线切开的剖面图。可以看出，亮度沿垂直方向变化，越往上去，色彩越明亮，越往下去，则越深暗。

再来说说黄色。柠檬的黄色和梨的黄色相比较又如何？你可能会说柠檬的黄色更明亮一些，但除此以外还有一个大的差别就是柠檬的黄色显得鲜艳，而梨的颜色则显得阴晦。这种差别称之为色饱和度或鲜艳度。从图2可以看出，紫红和绿两色的饱和度分别由中心向两侧随水平距离的增加而变化。离中心越近，色彩越阴晦；离中心越远，则越鲜艳。图3标出了一些常用的描述色彩亮度和色饱和度的形容词。至于这些形容词表达了什么，请再看一下图2。

如果我们测量苹果的颜色，我们得到下列结果：

过去已有好几个人想出多种方法，常常是通过复杂的公式用数量来表示颜色，其目的是使每个人能够更容易地和更准确地做色彩信息交流。这些方法试图提出一种用数字来表示颜色的方法，就好象我们表示长度和重量一样。例如在1905年，美国画家A.H.孟塞尔发明一种表示颜色的方法，这种方法利用大量按照颜色的色调（孟塞尔色调）、亮度（孟塞尔值）和色饱和度（孟塞尔饱和度）分类的色纸片，用来和样品色作目视比较。后来，经过许多进一步实验，该系统经过更新，创立了孟塞尔新表色系统，也就是现在在用的孟塞尔系统。在该系统中，任何给定的颜色按照它的色调（H），亮度值（V）和饱和度（C），表示为一个字母/数字组合（HV/C），并利用孟塞尔色卡作目视测定。其他用数字表示颜色的系统是由国际照明（CIE）研究出来的。其中的两种系统为Yxy系统和L^*a^*b^*系统。前者是于1931年根据CIE规定的三刺激值XYZ发明出来的，后者是由1976年发明的，以给出更为均匀的相对于视差的色差。这两种色空间*已在全世界用于色彩交流。

L^*a^*b^*色空间（也称为CIELAB）是当前通用的测量物体颜色的色空间之一，可广泛应用于所有领域。它是均匀色空间之一，是由CIE在1976年制定的，以便克服原来的Yxy色空间的一个主要问题，即： x,y色度图上相等的距离并不相当于我们所觉察到的相等色差。在这一色空间中，L^*是亮度，a^*和b^*是色度坐标。图6所示的为a^*,b^*色度图。在这个图上，a^*和b^*表示色方向： +a^*为红色方向，-a^*为绿色方向，+b^*为黄色方向，-b^*为蓝色方向。中央为消色区；当a^*和b^*值增大时，色点远离中心，色饱和度增大。图8是L^*a^*b^*色空间色主体表示法；图6是该色主体在某恒定L^*值处的水平剖面图。

要知道这些值究竟意味什么颜色，首先让我们在图8上的a^*b^*图上标出a^*和b^*值（a^*=+47.63,b^*=+14.12)来得到点（A），它所表示的就是苹果的色度。如果我们把图8上的色主体通过（A）点和中心垂直地切割，我们可以得到一张色图与亮度的关系图，图7所示为该图一部分。


L^C^h色空间使用与L^a^b^色空间一样的色度图，但是它使用柱面坐标而不是直角坐标。在该色空间中，L^亮度且与L^a^b^色空间中的L^相同，C^为色饱和度，h为色调角。在圆心处色饱和度C^的值为0，离圆心越远C值越大。色调角被规定为从+a^轴开始并以度数表示： 0为+a^（红），90为+b^（黄），180为-a^（绿），270为-b^（蓝）。如果我们用L^C^h色空间来测量苹果的颜色，我们将得到下列结果。如果我们把这些值描绘在图9上，我们就得到点（A）。