颜色和颜色空间之颜色

白色代表学术诚实和肉体之爱的纯净;红色代表艺术激情、政治信念、血气之勇;蓝色代表在音乐和数学上的内省发现、医疗助人以及万物的基本结构;翠绿代表和自然共鸣、和技术同乐以及对受威胁生命的保护;黑色代表人类神秘的创作,这是德姆・瑞亚的民族颜色的含义。我喜欢蓝色,你喜欢绿色,人家喜欢黑色,这在日常颜色真的很简单,只需要感性的感受它的美就可以。但当我看到“颜色空间”,进而去想理解颜色的时候,发现我们对颜色的描述真的是很复杂,涉及到光的物理性质,以及的生理结构等方面。

什么是颜色

我们能看各种颜色的大千世界,一切都始于光。所要明白颜色是什么,我们先得明白光是什么东西。光有粒子性和波动性,但在研究颜色的问题上,都使用光的波动性来研究,即光是一种波,物理学上叫电磁波。由于有不同波长的电磁波,就产生不同颜色的光,比如蓝色光中光波的波长比红色光中光波的波长短些。
光波的波长用希腊字母 λ 表示,可见光的波长大概时380-740纳米,大于740纳米和小于380纳米的光波人类的眼睛就看不到了,比如紫外线或红外线,但有些动物的眼睛可以感知到。人类可见光谱如下:
可见光谱
白光是由所有可见光颜色组合而成的(牛顿使棱镜实验),所以拿可见光谱中所有的光,并按合适的比例进行混合就可造出白光。

人的睛眼

人的睛眼视网膜上有两类主要的光感细胞,视锥细胞 和 视杆细胞。

**视锥细胞(cone cell )**:主要分布在视网膜中心,视锥细胞主要负责颜色识别,并且在相对较亮的光照下更能发挥作用。

**视杆细胞(rod cells)**:主要分布在视网膜边上,且较视锥细胞对光更敏感,几乎主要全部用于夜视力。

视锥细胞有三种(亲红,亲绿,亲蓝视色素),而且每一种都对特定的可见光范围敏感。这三种视锥细胞刚好大约分别对红色,绿色,和蓝色最为敏感,而这三种颜色也是计算机显示器构造颜色的三原色。所以说视锥细胞负责颜色识别(或者叫三原色识别)。

原色以及增减色原理

原色有两种定义:

1. 红色,绿色,蓝色。增色法中的原色,计算机或照明行业使用方法。

因为上面提到的生理的原因(视锥细胞对红色,绿色,和蓝色最为敏感),因此使用红,绿,蓝作为三原色,这三种颜色是相互独立的,任何一种都不能使用其它二种颜色混合。使用此三原色按比例混合成其它的颜色。

红色+绿色=黄色

绿色+蓝色=青色

红色+蓝色=品红

红色+绿色+蓝色=白色

黄色、青色、品红都是由两种及色相混合而成,所以它们又称相加二次色。

增色法图

2. 黄色,品红,青色。减色法中的原色,绘画艺术方面使用此方法。

在白光照射下,青色颜料能吸收红色而反射青色,黄色颜料吸收蓝色而反射黄色,品红颜料吸收绿色而反射品红
如下图黄色的产生。白光(红+绿+蓝)照射黄色颜料,其中的蓝色光成份被吸收,反射回红和绿色成份的光,而红色光加绿色光我们的眼睛即感知为黄色。

减色法黄色的产生

白色-红色=青色

白色-绿色=品红

白色-蓝色=黄色

另外,如果把青色和黄色两种颜料混合,在白光照射下,由于颜料吸收了红色和蓝色,而反射了绿色,对于颜料的混合我们表示如下:

颜料(黄色+青色)=白色-红色-蓝色=绿色

颜料(品红+青色)=白色-红色-绿色=蓝色

颜料(黄色+品红)=白色-绿色-蓝色=红色

减色法图

资料:

三原色光模式

色彩原理

颜色的亮度

人的眼睛感受颜色的亮度是不一样的,感受有些颜色会比别的颜色亮一些,比如我们会感觉蓝色暗些,而绿色最亮。一般来说在波长555纳米到560纳米之间的颜色,人类感觉最亮。如下图:

颜色的亮度

在用色相(Hue), 饱和度(Saturation), 和亮度(Lightness)描述颜色的时候,就需指定这种颜色的亮度。人类眼睛对可见光颜色的亮度感觉可以用光度函数(luminosity function)来描述:

光度函数

光谱功率分布(Spectral Power Distribution)

光谱图:

我们周围的灯看起来都特别的白,但每一种灯都不可能等量的发出可见光谱中所有的光。荧光灯发出发出的大部分颜色的光是差不多的,但有几个波段的光特别的强。白炽灯强列的发出所有颜色的光,波长越长越强烈(这是为什么白炽灯看起起偏黄的原因),而且有大部分超出了可见光的部分,也就是产生大量的红外线。这也是为什么白炽灯会浪费电的原因。

荧光灯光谱图 白炽灯光谱图

每一灯的的颜色成份都是独一无二的,就像人的指纹一样,这叫灯的光谱图或光谱功率分布Spectral Power Distribution(SPD)。

白然光: 因为我们地球就靠太阳照亮的,太阳光我们也称之为白然光(natural lighting),所以太阳的光谱图是一个特别的光谱图。因为我们眼睛经过了千万年去适应太阳光,所以如果我们造的灯的光谱能接近太阳光的光谱,我们就可以说这灯叫自然光灯,质量特别好。如果灯能一直发出类似太阳光谱的的灯,它这灯就可以叫做太阳灯了。

D65: 但是太阳光光谱的测定受各种因素的影响,比如我在北极测,他在喜马拉雅测,他在太平洋中央测,你在下雨天测,这样每个人测出来的太阳光光谱肯定是不一样的,这样人们对太阳光的定义就不一样了。所以国际照明委员会(International Commission on Illumination)定义了一个标准叫D65,符合欧洲、太平洋周边地区视觉颜色标准,模拟平均北天空日光,这标准大概就是北欧天气好的时候太阳光的样子。D65也叫标准日光光谱。

ICE 还定义了其它标准比如 D50, D75等,有兴趣可看看 主要标准光源资料

物体的SDP

不仅是发光物体有独有颜色光谱曲线,不会发光的物体也有独一无二的光谱反射率曲线(spectral reflectance curve)。因为不发光的物体不发光,它会吸收部分照射它的光,并反射回未吸收的那部分,这部也会被我们看到。每一个物体都有其特别的光谱反射率曲线。如下为A(黄油),B(西红柿),C(大白菜)的光谱反射率曲线:

光谱反射率曲线

国际照明委员会也定义了一个非常有用的标准 显色指数(Color Rendering Index):光源对物体的显色能力称为显色性,是通过与同色温的参考或基准光源(白炽灯或画光)下物体外观颜色的比较。

色温
色温有时候会用来描述颜色,就像我们会蓝色比黄色冷。这个名词原本描述的现象是,当一个物体的温度达到一定值会发出可见光,而这可见光的颜色取决于这个物体温度的大小。这个现象叫黑体辐射。太阳可看成一个黑体,它的温度大概是5700K。

什么是白色?

当可见光谱中所有成份的光都等量时,就是标准的白色。这种光源在现实之中是不存在的,那的光谱图叫E标准光源(E illuminant),对应ICE标准光源中的E光源。

学习资料:

Scratchapixel: Introduction to Light, Color and Color Space

Apple: Color: A Brief Overview