色彩学原理色彩的形成光与色彩光是自然界的一种物理.docx

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色彩学原理色彩的形成光与色彩光是自然界的一种物理

色彩学原理

第一节色彩的形成

一、光与色彩

   光是自然界的一种物理现象。

对于地球来说，最大的光源就是太阳。

太阳给地球带来生命，同时也赋予世界万紫千红的色彩。

我们习惯上认为太阳光是白色的，但实际上，它包含了彩虹的全部色彩——红….橙….黄….绿….青….蓝….紫，这就是光谱的颜色，是人类肉眼可感知的可见光颜色。

      在牛顿的光学色彩理论里，光与色彩是密不可分的，有光才会有色彩，人们之所以能够感知色彩，是因为有光照（发射光和反射光）的结果。

我们把人眼所能见到的颜色，由它们的光学性质分为两大类别，一是“发射光”，二是“反射光”。

  “发射光”就是光源发出的光，如阳光、灯光、计算机显示器、数码相机显示屏等，它是数字色彩得以存在的前提条件。

严格意义上的数字色彩的颜色，都是发射光形成的颜色。

“反射光”是从物体表面反射出去的光，我们能用肉眼看到的一切非发光体的颜色，都属于反射光，如山川、天空、建筑、园林、花草、服装、家具………等等。

      从物体表面反射出去的“反射光”，其颜色可以由物体表面材质的不同而发生改变。

因为光源照射在物体上的光，有一部分被物体吸收，有一部分被物体反射，只有那些被反射出来的光才能被人眼所接受，这就是人眼能感知不发光物体颜色的缘故。

二、光的色散

   我们让阳光或灯泡发出的白光（发射光）透过三棱镜，把它折射到白色的屏幕上，就可以看见白色光分解成彩色光（图1-1）。

光谱颜色是一条从红色到紫色柔和过渡的彩色光带，它不是仅有七种生硬的颜色（图1-2），我们平时所说的七色光，只是一种高度的语言概括。

“发射光”可以是全色光（白光），也可以是任何几种光的组合，或仅仅是一种单色的光。

发射光经由光源直射人们的眼睛时，便可以看见带色光源发出的颜色。

不同的色光有不同的波长，在可见光范围内，红色的波长最长，蓝紫色的波长最短。

   实际上，可见光谱的每一部分都有它自己唯一的值对应，我们可以从理论上把它们分成几百万甚至几千万种颜色。

从一种颜色转换到临近的另一种颜色，靠肉眼是很难区分的，人的眼睛最多只能区分二十八万二千多种颜色。

在千变万化的色彩世界中，人们视觉感受到的色彩非常丰富，按种类分为原色，间色和复色，但就色彩的系别而言，则可分为无彩色系和有彩色系两大类。

有彩色系中的任何一种颜色都具有三大属性，即色相、明度和饱和度。

也就是说一种颜色只要具有以上三种属性都属于有彩色系。

（下面我们主要以此为例进行分析）

图1-1光的色散

图1-2从红色到紫色柔和过渡的彩色光带

三、色彩混合

   色彩与色彩之间可以混合。

它可分为“加色法混合”（也称色光混合）、“减色法混合”（也称色料混合）和“中性混合”（也称空间混合）。

（一）加色法混合

   色光可以分解，也可以混合。

加色法混合就是把不同色彩的光混合投射在一起，生成新的色光，所以也称色光混合。

R、G、B三色是常见的光的三原色，红（Red，记为R）、绿（Green，记为G）、蓝（Blue，记为B）它们是计算机显示器及其它数字设备显示颜色的基础，这三种颜色由电子抢砰击或经其他物理方式叠加在一起，就能生成千万种色彩。

它属于加色法混合，是一种光源色的混合色彩模式。

R＋G=Y（红光＋绿光＝黄光）

B＋R=C（蓝光＋红光＝青光）

G＋B=M（绿光＋蓝光＝品红光）

图1-3两个光原色的加色混合

R＋G＋B=W（红光＋绿光＋蓝光＝白光）

图1-4光的三原色的加色混合

一对补色光相加，生成白光。

M＋G=W（品红光＋绿光＝白光）

H＋B=W（黄光＋蓝光＝白光）

C＋R=W（青光＋红光＝白光）

图1-5一对补色光相加生成白光，它属于加色混合

（二）减色法混合

   减色法混合就是把不同色彩的色料（颜料）混合在一起，生成新的颜色，所以也称色料混合。

C、M、Y三色是常用的颜料的三原色。

青（Cyan,记为C）、品红（Magenta，记为M）、黄（Yellow，记为Y），它们是打印机等硬拷贝设备使用的标准色彩，分别是红（R）、绿（R）、蓝（B）三基色的补色。

它属于减色法混合，是一种颜料色彩的混合模式。

M＋C=B（品红色＋青色＝蓝色）

W－R－G=B（白光－红光－绿光＝蓝光）

M＋Y=R（品红色＋黄色＝红色）

W－G－B=R（白光－绿光－蓝光＝红光）

C＋Y=G（青色＋黄色＝绿色）

W－R－B=G（白光－红光－蓝光＝绿光）

图1-6两个色料原色的减色混合

M＋Y＋C=K（品红色＋黄色＋青色＝黑色）

W－R－B－G=K（白光－红光－蓝光－绿光＝黑）

图1-7色料的三原色的减色混合

一对补色色料相混合，生成黑色。

M＋G=K（品红色＋绿色＝黑色）

Y＋B=K（黄色＋蓝色＝黑色）

C＋R=K（青色＋红色＝黑色）

图1-8一对补色色料相加生成黑色，它属于减色混合

第二节显色系统

    经典艺术色彩学是一种以颜料色彩为载体、偏重色彩心理属性研究的色彩理论体系。

它的物理基础是一种是以颜料、涂料、染料等色料为基础的显色系统，其本质是反射光的色彩系统。

最常见的有蒙塞尔的色彩体系，它是经典艺术色彩的基础，我国艺术和设计界大都采用蒙塞尔色彩。

其他还有伊顿的12色色相环（图1-9）、奥斯特瓦德色彩体系、日本PCCS色彩体系。

其中12色色相环是瑞士画家伊顿所设计的，它的构成原理是由红黄蓝三原色开始，两个原色相加出现间色，再由于一个间色加一个原色出现复色，最后形成色相环。

伊顿12色色相环

一、理想状态的色立体

   色立体是一个假设的立体色彩模型，理想状态的色立体象一个地球仪（图1-10）。

在这个模型里，整个球体从内核到表面就是这个色彩系统所有的色彩。

球的中心是一条自上而下变化的灰度色彩中心轴，靠北极（上方）的一端是白色，靠南极（下方）的一端是黑色，用来表示色彩的明度。

其他彩色的明度也跟中心轴的变化相一致，越往北极的颜色明度越高，到达北极点就是纯白色；越往南极的颜色明度越低，到达南极点就是纯黑色。

最纯的颜色都附着在球的赤道表面，沿赤道作圆周运动，表示色彩的色相变化。

从球的表面向中心轴的水平方向运动，表示色彩的饱和度（彩度）变化。

   简单的说，色立体的垂直方向表示色彩的明度变化，色立体从表面到中心轴的水平方向表示色彩的饱和度（彩度）变化，立体色的圆周方向表示色彩的色相变化。

图1-10理想状态的色立体模型

二、蒙塞尔色彩系统

      蒙塞尔显色系统着重研究颜色的分类与标定、色彩的逻辑心理与视觉特征等，为经典艺术色彩学奠定了基础，也是数字色彩理论参照的重要内容。

   蒙塞尔色相环以红（R）、黄（Y）、绿（G）、蓝（B）、紫（P）5色为基础色相，中间加入黄红、黄绿、蓝绿、蓝紫、紫红5种过渡色相，构成了10种色的色相环（图1-11）。

这10种色相每种又细分为10个等级，共100个色相。

这每10个等级中的第五级被定为这个色相的代表色样，如5R、5Y、5G、5B、5P等（图1-13、图1-14、图1-15、图1-16、图1-17）。

色相环中相差180度的颜色是互补色。

   蒙塞尔色立体是一个偏心的类似球体（图1-12）。

由于各种色相本身具有不同的明度，各种色相的最高饱和色不可能象“理想状态的色立体”那样都处于球体的赤道上，它们是随着明度的高低从顶端（北极）或底端（南极）偏移。

纯黄色的明度最高，因此它最靠近顶端，紫色的明度最低，因此它最靠近底端。

   蒙塞尔色彩认为各种色相的彩度等级也不同，各色相的最高饱和色离中心明度轴的远近距离也不等。

红色（5R）的彩度最高，共分为14个等级，它的最高饱和色离中心轴最远，而蓝绿色（5BG）的彩度最低，只有6个等级，它的最高饱和色离中心轴最近。

   蒙塞尔色立体纵向的色彩明度色阶共分11级，中心轴的顶端为白色，底端为黑色。

图1-11蒙塞尔10色色相环

图1-12蒙塞尔色立体示意图

图1-13蒙塞尔系统的色彩样本1图1-14蒙塞尔系统的色彩样本2

图1-15蒙塞尔系统的色彩样本3

图1-16蒙塞尔系统的色彩样本4图1-17蒙塞尔系统的色彩样本5

三、奥斯特瓦德色彩系统

   奥斯特瓦德色彩系统是由科学家奥斯特瓦德1921年创立的，它以物理科学为依据，而不是象蒙塞尔系统那样重视心理逻辑和视觉特征。

它注重色彩的调和关系，主张调和就是秩序。

      奥斯特瓦德色相环以24个色组成。

它以赫林的四色学说为依据，首先在一个圆形内以等间距安置了红、黄、绿、蓝4个主色，在此基础上在每两个颜色之间分别安插橙、黄绿、蓝绿、紫4个间色，扩展为红、橙、黄、黄绿、绿、蓝、蓝绿、紫8个基本色相环，然后再将这8个基本色相每种色分为3个等级，共编组成24色的色相环（图1-18）。

图1-18奥斯特瓦德24色色相环

   奥斯特瓦德色彩系统认为没有纯的颜色存在，即使是纯白色也有11％的含黑量，纯黑色也有3.5％的含白量。

所有的色彩都由纯色加一定比例的黑色和白色混合而成。

在奥斯特瓦德色彩系统中，C代表纯色，W代表白色，B代表黑色。

这样，奥斯特瓦德引导出一个适用于任何颜色的公式：

纯色量（C）＋白量（W）＋黑量（B）＝100（总色量）。

记号acegilnp

含白量89563522148.95.63.5

含黑量114465788691.194.496.5

奥斯特瓦德色立体就是依据这一理论创立的（图1-19）。

图1-19奥斯特瓦德色立体示意图

图1-20奥斯特瓦德色立体模型

四、日本PCCS色彩系统

      成为人类色觉基础的主要色相有红、黄、绿、蓝四种色相，又称心理四原色，它们是色彩领域的中心。

这四种色相的相对方向确立出四种心理补色色彩，在上述的8个色相中，等距离的插入4种色彩，成为12种色彩的划分。

在上述8个色相中，等距离地插入4种色相，成为12种色相。

再将这12种色相进一步分割，成为24个色相。

在这24个色相中包含了色光三原色，泛黄的红、绿、泛紫的蓝和色料三原色红紫、黄、蓝绿这些色相。

   日本PCCS色彩系统是日本色彩研究所研制的，1965年正式发表。

它的色立体模型、色彩明度及纯度的表示方法与蒙塞尔色彩系相似，但分割的比例和级数不同；也吸收了奥斯特瓦德色彩体系的一些特点。

它的最大特点，是将色彩综合成色相与色调两种观念来构成各种不同的色调系列，便于色彩的各种搭配。

它注重色彩设计应用的方便，更多表现为一种实用的配色工具（图1-21、图1-22）。

      日本PCCS的色相环由24个色相组成。

为了保持色相环上的色相差均匀，经过色相环直径两端相隔180度的色相并非绝对补色。

色相采用1—24的色相符号加上色相名称来表示。

把正色的色相名称用英文开头的大写字母表示，把带修饰语的色相名称用英语开头的小写字母表示。

例如：

1pR、2R、3rR。

图1-21日本PCCS色相环

图1-22日本PCCS色相环

第三节数字色彩体系

   数字色彩体系由相关的计算机色彩模型构成。

计算机色彩成像的原理和其内部色彩的物理性质决定了它是一种光学色彩，但它又跟传统意义上的混色系统和显色系统存在明显的差别和有着不同程度的联系，正因为它的这种特殊性，使数字色彩形成了自己的显著特点而自成体系。

在数字色彩体系中，色彩模式是数字世界中表示颜色的一种算法。

在数字世界中，为了表示各种颜色，人们通常将颜色划分为若干分量。

由于成色原理的不同，决定了显示器、投影仪、扫描仪这类靠色光直接合成颜色的颜色设备和打印机、印刷机这类靠使用颜料的印刷设备在生成颜色方式上的区别。

RGB，光的三原色是设备显示的基础；CMY，油墨三原色是印刷中图像再现的色彩基础；而红、黄、蓝是在美术中调色的基本颜色，是人类色彩系统的理论三原色。

一、RGB色彩

   根据人眼光谱灵敏度实验曲线证明，可见光在波长为630nm（红色）、530nm（绿色）和450nm（蓝色）时的刺激达到高峰。

通过光源中的强度比较，人们便可感受到光的颜色。

这种视觉理论是使用三种颜色基色：

红（R）绿（G）蓝（B）在监视器上显示颜色的基础，称之为RGB色彩模型。

   红色、绿色、蓝色三色分别是常用的光的三原色。

红（Red，记为R）、绿（Green，记为G）、蓝（Blue，记为B），它们是计算机显示器及其它数字设备显示颜色的基础。

RGB色彩模型是计算机色彩最典型、也是最常用的色彩模型。

   RGB色彩模型用一个三维笛卡儿直角坐标系中的立方体来描述，RGB色彩框架是一个加色模型，模型中的各种颜色都是由红、绿、蓝三基色以不同的比例相加混合而产生的。

在这个立方体中，坐标原点（0，0，0）代表黑色，坐标顶点（1，1，1）代表白色，坐标轴上的三个顶点分别代表红、绿、蓝三基色，而剩下的另外三个顶点分别代表每一个基色的补色：

青、品红、黄（图1-23）。

由于在RGB模型立方体的主对角线上红、绿、蓝、三色的比例相同，它们混合后产生灰色，因此这条对角线上的颜色，是由黑色到白色过渡的一条灰色色带，红、绿、蓝三色的成份越多，颜色就越趋向白色，成份越少，就越趋向黑色。

图1-23用笛卡儿直角坐标表示的RGB三维色彩模型

二、CMY（CMYK）色彩

   C、M、Y三色分别是色料的三原色，青色、品红色、黄色。

青（Cyan,记为C）、品红（Magenta，记为M）、黄（Yellow，记为Y），它们是打印机等硬拷贝设备使用的标准色彩，它们与红（R）、绿（R）、蓝（B）三基色形成色相上的补色关系。

打印机等硬拷贝设备把C、M、Y颜料通过纸张等介质打印成图片后，我们就能通过反射光来感知图片的颜色。

CMY色彩模型也是计算机色彩常用的色彩模型，是一种颜料色彩的混合模式。

   CMY色彩模型也用一个三维笛卡儿直角坐标系中的立方体来描述，CMY色彩框架是一个减色模型，模型中的各种颜色都是由青、品红、黄三原色以不同的比例相加混合而产生的。

在笛卡儿坐标系中，CMY色彩模型与RGB色彩模型外观相似，但原点和顶点刚好相反。

因此，这个立方体的坐标原点（0，0，0）代表白色，坐标顶点（1，1，1）代表黑色，坐标轴上的三个顶点分别代表青、品红、黄三原色，而剩下的另外三个顶点分别代表每一个基色的补色：

红、绿、蓝。

（如图1-24）由于在RGB模型立方体的主对角线上青、品红、黄三色的比例相同，它们混合后产生灰色，因此这条对角线上的颜色，是由黑色到白色过渡的一条灰色色带，青、品红、黄三色的成份越多，颜色就越趋向黑色，成份越少，就越趋向白色。

   由于颜料的化学成分和介质吸收等原因，C、M、Y三色经过打印混合后只能产生深棕色，不会产生真正的黑色，因此在打印时要多加一个黑色（Black,记为K）作为补充，用以弥补色彩理论与实际的误差，实现色彩的还原。

所以在计算机实用软件里，没有CMY色彩模型，而是用CMYK色彩模型来替代。

图1-24用笛卡儿直角坐标表示的CMY三维色彩模型

三、Lab色彩

   Lab色彩是计算机内部使用的、最基本的色彩模型。

它由照度（L）和有关色彩的a、b三个要素组成。

L表示照度（Luminosity），相当于亮度，a表示从红色至绿色的范围，b表示从蓝色至黄色的范围（如图1-25）。

L的值域由0到100，L=50时，就相当于50%的黑；a和b的值域都是从+120至-120，其中+120a就是红色，渐渐过渡到-120a的时候就变成绿色；同样原理，+120b是黄色，-120b是蓝色，所有的颜色就以这三个值交互变化所组成。

Lab色彩模型具有它自身的色彩优势：

色域宽阔。

它不仅包含了RGB，CMY的所有色域，还能表现它们不能表现的色彩。

人的肉眼能感知的色彩，都能通过Lab色彩模型表现出来。

另外，Lab色彩模型的绝妙之处还在于它弥补了RGB色彩模型色彩分布不均的不足，因为RGB模型在蓝色到绿色之间的过渡色彩过多，而在绿色到红色之间又缺少黄色类和其他色彩。

四、HSV（HSB）色彩

   HSV（HSB）色彩模型用一个倒立六棱锥来描述（图1-26）。

六棱锥的顶面是一个正六边形，延H方向作圆周运动表示色相的变化，六边形的边界表示最高饱和度的不同的色相，从0°－360°历经可见光的全部色谱。

六边形的六只角分别代表红（R）、黄（Y）、绿（G）、青（C）、蓝（B）、品红（M）六个颜色的位置，每个颜色之间相隔60°。

由六边形中心向六边形边界（S方向）作水平运动，表示颜色的饱和度（S）变化，S的值由0－1变化，越接近六边形外框的颜色饱和度越高，越接近中心的颜色饱和度越低；处于六边形外框的颜色是饱和度最高的颜色，即S=1；处于六边形中心的颜色饱和度为零，即S=0。

六棱锥的高（也即中心轴）用V表示，它从下至上表示一条由黑到白的灰色，V的底端是黑色，V=0；V的顶端是白色，V=1。

在计算机实用软件中，一般用HSB色彩表示，B的值实际上与V完全相同，可看作是与HSV相同的色彩模型。

图1-26HSV色彩六棱锥