7.1　光与颜色

7.1.1　颜色是什么

在山清水秀的乡下，雨过天晴的时候，有时可以看到背对太阳的天幕中挂着一道艳丽的彩虹。现在人们已经熟知，那是小水滴对太阳光反射和折射的结果。可见，原本无色的太阳光（习惯上称为白光），其实是由多种颜色组成的。牛顿在17世纪就用实验证明了这一点，如图7‐2所示，一束太阳光通过小孔照射到一块三棱镜上，透过三棱镜后，在另一边的接收屏或纸面上会出现一个包含多种颜色的色带，自上而下依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，与彩虹的颜色排列相同。这些颜色的总合，实际上就是太阳的光谱带。牛顿还进一步用实验证明了这些颜色是太阳光的固有特性，不是由棱镜产生的，而且每一颜色不能再进一步分解。

图7‐2　牛顿的色散实验

今天我们知道，白光中包含有丰富的色光，或者说白光是由不同颜色的光混合而成的，而这些光线实际上就是具有不同波长或频率的电磁波。例如，红光的波长在700nm左右，蓝光波长约为440nm，紫光则为400nm左右。人眼能感知的颜色光谱范围称为可见光谱，波长大约从380nm到780nm，尽管在整个电磁波范围中，这只是微不足道的一小段，见图7‐3，但它已经覆盖了太阳光谱的主要区域，并且足以包含自然界中的光与颜色的绝大部分，因此，人眼再次以最小的代价获得了最完善的颜色视觉功能。顺便指出，波长略小于380nm的光为紫外光，大于780nm的光为红外光。红外光又分为近红外（780nm～2.5μm）、中红外（2.5～25μm）和远红外（25～1000μm）等波段。

人眼对景物产生色觉，首先需要直接或间接接收来自光源的光刺激，这些光刺激可以是太阳光或是电灯光。在日常生活中，颜色并不是用三棱镜来产生的，而是由物体表面的反射或彩色玻璃的透射等造成的。例如当白光照射到红色物体表面时，该表面将选择性地反射红光，而将其他的光谱成分吸收掉；同样，一块红色滤光片也将其他成分吸收掉而只允许红光透过。这些经过反射或透射而剩余的色光，作为物理刺激作用于我们的眼睛，最终产生了该物体及滤色片是红颜色的视觉结果。在黑夜或暗室中，同样的物体或滤色片，是不可能产生这样的色觉效果的。可见，光在颜色的产生及颜色视觉的形成中起着重要作用。进一步还可发现，不仅白光可以分解成不同的色光，不同的色光反过来可以混合成白光或另一种色光；此外，不同颜色的颜料混合也可以匹配出各种所需要的颜色。

图7‐3　电磁波辐射范围及可见光谱

7.1.2　颜色的分类与属性

世界上存在成千上万种颜色，这些颜色怎样分类，每种颜色又包含什么特性？在总体上，颜色分为彩色和无彩色两类。无彩色是指白色、黑色以及处于两者之间的各种明暗不同的灰色。除去黑白系列以外的所有颜色则统称为彩色，通常所说的颜色即是指彩色。在调节彩电或显示屏图像质量的过程中，只要细心留意一下，不难发现有色调、饱和度（或对比度）和明度（或亮度）等调节功能。可见每一颜色都可以用三个基本特性或属性来定义，每一特性又分为主观与客观两个方面的概念。在主观上或心理上，颜色的三属性分别是色调、饱和度和明度；与此相对应，颜色在客观上或物理学上的三属性分别是主波长、纯度和亮度。

色调是光谱中各种不同波长的可见光在视觉上的表现。例如红、黄、绿、蓝、紫等都是不同的色调。明度则表示颜色的明暗程度，物体颜色的明度与反射率及照明光强度有关，光照不变时，明度与反射率成正比。对彩色来说，颜色中掺入的白色越多显得越明亮，掺入的黑色越多明度越小。颜色的饱和度是指颜色的纯洁性，太阳光谱中的七种颜色是饱和度最大的颜色，颜色中掺入的白色、黑色或灰色越多，说明它越不饱和，如暗红色、淡红色，都是不饱和的红色。可以用一个颜色立体来完整描述颜色的主观三属性的相互关系，如图7‐4所示。

颜色立体的垂直线代表黑白系列明度的变化，每一水平截面的圆周代表不同的色调，如红、橙、黄、绿、蓝、紫等。颜色在圆周上的变化代表色调的变化。颜色立体的中心是中灰色，从中心向圆周过渡表示颜色饱和度的增加。

在客观上，与色调对应的是颜色的主波长，如主波长为750nm的光为红色调，590nm的为黄色调，540nm的是绿色调等。有趣的是，如果将适当比例的红光和蓝绿光（青色光）混合，可以匹配出白光，这样的红光与青色光的主波长称为互补主波长，红色调和青色调叫做互补色。同样，黄光与蓝光为互补色。亮度是一个与颜色的明度对应的物理量，它表示光的强度或颜色的明暗程度。纯度则与饱和度相对应，表示颜色的纯洁程度。

研究发现，人眼能分辨的色调共有180种，能区分的亮度等级约600种，饱和度平均约10种。因此，理论上视觉能分辨180×600×10＝1，080，000种，即100多万种颜色。当然，在亮度特别大或特别小时，对色调的分辨能力会大大降低。因此，人眼实际能分辨的颜色大概只有一万种左右。

有了颜色的这些基本属性，就可以完整地将自然界与人工的各种颜色一一表示和区分出来。

图7‐4　颜色立体

7.1.3　物体的颜色及颜色的交互作用

颜色是物体的一种属性，如红色的衣服、橙色的橘子、绿色的树叶、蓝色的天空、黑色的煤、白色的墙壁等，这些颜色好像是它们各自的代表色，即表面色。在通常情况下，物体的表面色是因为它们对不同波长的色光的反射、散射、透射和吸收而造成的。红色衣服的布料反射红光而吸收其他色光，所以看起来是红色的；蔚蓝的天空是因为大气层对太阳光的散射；紫色的玻璃是由于它吸收了大部分色光而仅让紫色光透过，如此等等。物体的表面色似乎是物体固有的，比如一张白纸，在太阳光下看是白色的，只是白得刺眼；在电灯光下看也是白纸，看起来要舒适一些；而在柔和的月光下看，纸面会显得暗得多，但人们仍会把它看成白纸。相反，如果将一块光洁的煤放在强烈的阳光下，它所反射的光强可能比电灯下的白纸强得多，但我们仍把煤块看成是黑色的。这是因为白色和黑色似乎分别是白纸和煤的固有色。在这些情形下，人眼观察到的颜色取决于物体本身，而与光照的强度没有多大关系。

但是在多数情况下，物体的表面色并不是固定不变的。改变照明光的强度、照明光的色彩以及背景的反衬色等，物体表面色的色调、明度及饱和度也可能发生变化。设想在几乎没有光线的暗室里观察白纸，看到的纸面可能是灰色或黑色的；同样，在黑暗中观察煤块，它也会失去在阳光下乌黑锃亮的样子而变成灰色，甚至不容易发现它。更广泛地，在白天看来色彩艳丽的景物，在晚上都会变成灰蒙蒙一片，当然这其中也有人眼本身从明视到暗视转变的原因。另一方面，在不同色光照射下，物体表面色也将发生改变。用红光照射白纸时，看到的白纸面会泛出红色；我们身上所穿的各种颜色的衣服，在日光灯和多彩霓虹灯下所显现的颜色与原来颜色是不同的。所以在文艺表演中，人们可以通过改变光照的色彩和强度来获得不同的舞台效果，时而色彩斑斓，时而灰暗低沉，而在此过程中，舞台的布景并没有大的改变。

物体的表面色还取决于呈现在它们周围的颜色，周围颜色对物体表面色的反衬作用称为颜色的交互作用，表现为被观察的颜色向周围颜色的对立方向转化，即趋向于周围色的补色。红颜色背景上呈现的灰方块被看成是浅绿色的；反之，绿背景上的灰方块被看成浅红色；白背景上的灰方块则呈浅黑色；黑背景上的灰方块呈浅白色，如图7‐5所示，其中的五角星的颜色和明度实际是一样的。颜色的交互作用，也是颜色视觉的特性之一，即视觉的颜色对比现象。(www.daowen.com)

图7‐5　颜色的交互作用:背景的影响

7.1.4　颜色的混合与匹配

最早的颜色混合工作由牛顿完成，他在将太阳光分解为各种光谱成分后，又将其中的某些色光混合而匹配出不同的色光。红光与绿光混合可匹配出黄光；红光与黄光混合可出现橙色光；适当比例的黄光与蓝光混合可得到白光。这些颜色一旦混合成另一种颜色，就无法再区分原来的颜色。更进一步，由于黄光与蓝光可匹配出白光，而黄光又可以由红光与绿光混合获得，因此只要比例适当，红光、绿光和蓝光混合可匹配出白光。在色度学上，红色、绿色和蓝色称为光的三原色。图7‐6是颜色匹配的实验装置示意图。

图7‐6　颜色匹配实验

颜色的混合和匹配遵循如下三个规则。

1.补色律。两个以适当比例混合能匹配得到白色或灰色的颜色，互称为补色。如前所述，红色与青色互为补色，黄色与蓝色互为补色。两个补色混合时，如果破坏适当的比例，就会匹配出与比份大的颜色相近似的颜色。

2.中间色律。两个非补色相混合，便产生一个新的混合色或中间色。混合中间色的色调决定于两颜色的比例的多少，而且更近似于比例大的那种颜色。

3.代替律。如果颜色X与颜色Y相混合可得颜色B，而颜色A和颜色B混合又可得颜色C，则颜色A、X与Y混合也可得到颜色C。也就是说，不管原来的颜色来源如何，成分怎样，只要颜色的视觉效果相同，就可以互相代替。

根据上述三个规则，可以利用颜色混合的方法产生各种所需要的颜色。特别地，可以用三原色的混合来匹配得到几乎所有的颜色。将红色、绿色和蓝色三原色记为（R）、（G）、（B），匹配色记为（C），则颜色匹配方程可表示为:

C（C）≡R（R）＋G（G）＋B（B）　　　　　　　（7‐1）

式中R（R）、G（G）、B（B）分别代表三原色的比份，即比例系数，≡代表匹配，C（C）表示匹配色的强度。如果是双色混合，匹配方程中三原色的某一项比份为零。匹配纯白色时，三原色的比份应相等，即均约等于0.333。某一蓝绿色的匹配可以表达成:

C（C）≡0.06（R）＋0.31（G）＋0.63（B）　　　（7‐2）

应该指出，光的颜色混合与颜料的颜色混合，两者的规律是不同的。色光的混合是相加混合，颜料的混合是相减混合。黄光与蓝光混合可产生白色，而黄色颜料与蓝色颜料混合不产生白色而是得到绿色。这是因为色光的混合是两种波长的光线同时作用于视网膜而相加的过程，而颜料则要反射某些光波而吸收其他光波，它们混合产生的颜色取决于所反射的光谱成分。黄色颜料主要反射黄色和邻近的绿色光波，吸收了蓝色和其他颜色；蓝色颜料主要反射蓝色和邻近的绿色光波，吸收黄色和其他颜色，它们混合的结果，将进一步吸收黄色、蓝色等光线，而仅反射两者共同能反射的绿色光线，也即因相减作用而成为绿色颜料。可以说，颜料与光线的反射和吸收，本身就是一种减法作用，而颜料的混合则是双重减法。

1931年，国际照明委员会（CIE）综合多项研究的成果，确定了三个设想的原色，用X（红）、Y（绿）、Z（蓝）表示，并将匹配等能光谱的各种颜色所需的三原色比例值x、y、z标准化，定义为“CIE1931标准观察者光谱三刺激值”。例如，为了产生光谱上578nm的黄色，需将大约等量的x（红）和y（绿）相加，而不需要z（蓝）；要产生波长为475nm的颜色，则需要大量的z，再加上少量的x和y，就可得到这一波长的蓝色。

同年，CIE还制定了一个可表示所有颜色的色度图（Chromaticity diagram），称为CIE 1931色度图（图7‐7，参见附录彩图）。任何颜色都可用匹配该颜色的三原色的比例加以确定，因此每一颜色在色度图上都有其特定的位置。图中x色度坐标相当于红原色的比例，y色度坐标相当于绿原色的比例，不需采用z色度坐标（相当于蓝原色）的原因是，x＋y＋z＝1，z的值可以据此推算出来。图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色，即光谱轨迹。蓝紫色波段在图的左下部，绿色波段在图的左上角，红色波段在图的右下部。靠近图中央的C点为白光点，相当于中午阳光的光色。

色度图的实用价值非常大，任何颜色，不管是光源色还是表面色，都可以在这个色度图上标定出来。在色度图上的任意一点A，由C和A所画的直线的延长线与光谱轨迹相交，交点O对应的波长为600nm，A点的主波长即为600nm，以此类推。同时，A点在线段CO上的位置，代表了其色纯度，即饱和度。颜色点A越靠近C点越不纯，越靠近O点则颜色越纯。纯度值可由CA/CO的比值确定。

通过白光点C任意画一条直线，与光谱轨迹产生两个交点，这两个交点对应的颜色互为补色，如图中波长470nm的颜色，其补色的波长在577nm附近。

图7‐7　CIE1931色度图（参见附录彩图）