光与色的研究与应用.docx

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光与色的研究与应用

光与色的研究与应用

黄于民

广州光与影照明科技有限公司

　　没有光就没有色，光是人们感知色彩的必要条件，色来源于光。

所以说：

光是色的源泉，色是光的表现。

　　五光十色、绚丽缤纷的大千世界里，色彩使宇宙万物充满情感显得生机勃勃。

色彩作为一种最普遍的审美形式，存在于我们日常生活的各个方面。

衣、食、住、行、用，人们几乎无所不包，无时不在地与色彩发生着密切的关系。

色彩现象是一种变化万千的自然景象。

没有色彩就没有花红柳绿，没有色彩就没有碧海蓝天，没有色彩就没有诗，没有音乐，没有艺术。

没有色彩的世界无疑是个黑暗死寂的世界。

人的一生自始至终都处在绚丽的色彩包围之中，并在这包围之中感受到时光的美好，时间的温馨，人生的愉悦。

色彩现象是客观存在的，而且永恒。

　　一、光的基本知识

　　人们对光的本质的认识，最早可以追溯到十七世纪。

从牛顿的微粒说到惠更斯的弹性波动说，从麦克斯韦的电磁理论，到爱因斯坦的光量子学说，以至现代的波粒二象性理论。

　　光的物理性质由它的波长和能量来决定。

波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。

在电磁波辐射范围内，只有波长380nm到780nm（1nm=10-6mm）的辐射能引起人们的视感觉，这段光波叫做可见光。

　　在这段可见光谱内，不同波长的辐射引起人们的不同色彩感觉。

英国科学家牛顿在1666年发现，把太阳光经过三棱镜折射，然后投射到白色屏幕上，会显出一条象彩虹一样美丽的色光带谱，从红开始，依次接临的是橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。

　　二、光的视觉性质

　　视觉是由进入眼睛的可见光引起的一种感觉。

人们在认识客观世界的过程中，从外部获得的信息中有90％以上是通过视觉获得的，获得信息的效率和质量，与眼睛的视觉特性、照明条件以及视觉舒适感有关。

眼睛的生理特性决定了它的明暗视觉和视觉效能。

影响视觉舒适感和引起视觉疲劳的主要因素是照度水平、照明均匀度、眩光和明暗视觉的变化等。

这是研究光学的基础知识。

　　明暗视觉

　　视觉分为明视觉、暗视觉和中间视觉。

明视觉主要由眼球视网膜上的锥状细胞起作用，通常要求的亮度至少为每平方米几个坎德拉（cd）。

暗视觉主要由视网膜的杆状细胞起作用，所需的亮度一般低于每平方米百分之几坎德拉（cd）。

中间视觉介于上述两种视觉之间。

杆状细胞不能起分辨颜色的作用，只有锥状细胞感受光刺激时才有颜色的感觉。

杆状细胞对波长为510纳米的光最敏感，而锥状细胞对波长550纳米的光最敏感。

　　视觉效能

　　眼睛完成视觉工作的能力称视觉效能。

常用亮度对比和颜色对比，对比灵敏度、视敏度、视感受速度来综合评价眼睛的视觉效能。

眼睛能够识别某背景上的任一物体，主要依赖于物体与背景之间的亮度差别和颜色差别，即亮度对比和颜色对比。

　　眼睛所能辨别的物体与背景的最小亮度差称为临界亮度差。

临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比。

用临界对比的倒数来评价眼睛辨别最小对比的能力称为对比灵敏度。

　　视敏度是眼睛分辨两个相邻物体（点或线）的视角间隔（通常用角分表示）的倒数；视敏度也是视力的倒数。

　　视感受速度是人们感受形像所必需的最小时间的倒数。

　　三、光的色彩

　　自然界中只有光，本没有色，人的眼睛为了区别光的不同，建立了色的概念，大部分关于色彩的理论都建立在对人们的感觉实验的基础之上。

在人的眼中有三种蛋白酶，分别敏感于某一特定波长的红、绿、蓝三种光中的一种，这样实际上人只能感觉到一个光谱中的三个特征方向。

　　色彩是一种视觉感受，客观世界通过人的视觉器官形成信息，使人们对它产生认识。

所以，视觉是人类认识世界的开端。

来自外界的一切视觉形象，如物体的形状、空间、位置以及它们的界限和区别都由色彩和明暗关系来反映。

　　对于自身发光的物体，颜色是由他所发出的光在人眼所能感知的三个方向的刺激来决定的。

然而对于反光的物体，颜色由照射他的入射光和被他所吸收的光来决定。

用一组与白光在这三个特定方向上对人眼刺激值相同的红绿蓝三色光就可以在人眼中模拟出白光的效果，但当这个白光和红绿蓝三色光分别照在同一物体上时，被吸收掉的光不同，反射出来的光也不一定相同，人们看到的物体的颜色可能就不同。

物体的颜色由物体对光的透射、吸收和反射光谱决定，不同的入射光线可能造成物体的颜色不同。

我们说"花是红色的"，是因为它吸收了白色光中400～500nm的蓝色光和500～600nm的绿色光，仅仅反射了600～700nm的红色光。

花本身没有色彩，光才是色彩的源泉。

如果红色表面用绿光来照射，那么就呈现黑色，因为绿光波长的辐射能被全部吸收了，它不包含可反射的红光波长。

可见，物体在不同的光谱组成的光的照射下，会呈现出不同的色彩。

所以，“色彩”并不是物质本身的物理性实体，只有光波波长才是物理性现实存在，物体的固有性质只是它对可见光谱中某些波段吸收或反射的能力。

　　四、光色的生理特性　　

　　从视觉眼睛的生理特征出发，经剖析发现人眼的锥状细胞处于视网膜中央，它对于辨别细小物体的能力很强，而杆状细胞则处于视网膜边缘，它更能感受微弱光的刺激，而对于辨别细小物体的能力较弱。

明视觉状态下人眼中主要是视网膜中央的锥状细胞产生视觉效果，其最大的视觉响应在光谱蓝绿区间中的55nm处。

随着照明水平的下降，处于视网膜周边的杆状细胞逐步被激活，到了暗视觉状态下，主要为杆状细胞产生视觉作用，其峰值视觉响应为507nm。

介于明视觉和暗视觉之间的中间视觉状态下，锥状细胞和杆状细胞同时发生作用。

周边视觉能力主要受杆状细胞的影响，此时人眼对短波长光更加敏感。

正是由于此，环境的明暗不同时，人眼中起作用的细胞类型不同，颜色的感觉就会有差异。

不同颜色的光波，在能量相当的情况下眼睛感受的刺激程度不一样，如：

在同样能量不同颜色的灯光照射下，感觉亮度不同。

比如感觉红色的比深蓝兰色的亮。

我们通常把白色、黄色、浅红等淡色称为亮色，翠绿、普蓝、黑色等重色称为暗色。

五、光色的心理感觉

　　色彩心理学是十分重要的学科，在自然欣赏、社会活动方面，色彩在客观上是对人们的一种刺激和象征；在主观上又是一种反应与行为。

色彩是与人的感觉（外界的刺激）和人的知觉（记忆、联想、对比…）联系在一起的。

色彩感觉总是存在于色彩知觉之中，很少有孤立的色彩感觉存在。

色彩心理透过视觉开始，从知觉、感情而到记忆、思想、意志、象征等，其反应与变化是极为复杂的。

色彩的应用，很重视这种因果关系，即由对色彩的经验积累而变成对色彩的心理规范，当受到什么刺激后能产生什么反应，都是色彩心理所要探讨的内容。

　　心理颜色和色度学颜色的另一区别是，色度学所研究的是色光本身，而不牵涉到研究的环境和观察者在空间的位置以及观察角度的变化等因素。

例如，色光的背景，在CIE系统中是暗黑无色，并且用实验证明了不同的背景并不改变匹配数值。

但是，在心理颜色视觉上则不然，当背景改变时，许多心理作用如颜色分辨力、色相、饱和度、明度等都会改变。

　　凡两种色光相加呈现白光，两种颜色相混呈现灰黑色，那么这两种色光和这两种颜色即互为补色。

补色的位置，在色相环上属一直径的两端，也就是对顶角的位置。

　　在心理上把色彩分为红、黄、绿、蓝四种，并称为四原色。

通常红-绿、黄-蓝称为心理补色。

任何人都不会想象白色从这四个原色中混合出来，黑也不能从其它颜色混合出来。

所以，红、黄、绿、蓝加上白和黑，成为心理颜色视觉上的六种基本感觉。

尽管在物理上黑是人眼不受光的情形，但在心理上许多人却认为不受光只是没有感觉，而黑确实是一种感觉。

例如看黑色的物体和闭着眼睛的感觉是不同的。

　　色彩的直接性心理效应来自色彩的物理刺激对人的生理发生的直接影响。

心理学家对此曾经作过许多实验。

他们发现，在红色的环境中，人的脉搏会加快，血压有所升高，情绪兴奋冲动。

而在蓝色环境中，脉搏会减缓，情绪也较沉静。

冷色与暖色是依据心理错觉对色彩的物理分类，对于颜色的物质性印象，大致有冷暖两个色系产生。

波长长的红光和橙光、黄色光，本身有暖和感；相反，波长短的紫色光、蓝色光、绿色有寒冷的感觉。

冷色与暖色除去给我们以温度上的不同感觉外，还会带来其它一些感受。

比方说，暖色偏重，冷色偏轻；暖色有密度强的感觉，冷色有稀薄的感觉；冷色有退却的感觉，暖色有逼近感。

这些感觉都是偏向于对物理方面的印象，而不是物理的真实，它属于一种心理错觉。

　　颜色引起的物质性的心理错觉，是艺术家或设计家最可利用的手段之一。

通常在狭窄的空间中，若想使它变得宽敞，应该使用明亮的冷调。

由于暖色有前进感，冷色有后退感，可在细长的空间中远处两壁涂以暖色，近处两壁涂以冷色，空间就会从心理感到更接近方形。

　　各种色彩的象征：

　　　　　　　　　　红色――热情、活泼、热闹、革命、温暖、幸福、吉祥、危险……

　　　　　　　　　　橙色――光明、华丽、兴奋、甜蜜、快乐……

　　　　　　　　　　黄色――明朗、愉快、高贵、希望、发展、注意……

　　　　　　　　　　绿色――新鲜、平静、安逸、和平、柔和、青春、安全、理想……

　　　　　　　　　　蓝色――深远、永恒、沉静、理智、诚实、寒冷……

　　　　　　　　　　白色――纯洁、纯真、朴素、神圣、明快、柔弱、虚无……

　　　　　　　　　　黑色――崇高、严肃、刚健、坚实、粗莽、沉默、黑暗、罪恶、恐怖、绝望、死亡……

　　色彩本身是不体现思想感情的。

但是，在人类对客观世界的认识和改造过程中，自然景物的色彩却逐步给人造成了一定的心理影响，产生了冷暖、软硬、远近、轻重等感受，以及由色彩所产生的种种联想。

例如，从红色联想到火焰，蓝色联想到大海，这种联想便产生了明确的概念，使人对不同的色彩产生不同的感觉。

总之，我们看到的色彩，是光线的一部分经有色物体反射刺激我们的眼睛，在头脑中所产生的一种反映。

　　六、环境对色彩的影响

　　色是一种物理刺激作用于人眼的视觉特性，而人的视觉特性是受大脑支配的，也是一种心理反映。

所以，色彩感觉不仅与物体本来的颜色特性有关，而且还受时间、空间、外表状态以及该物体的周围环境的影响，同时还受各人的经历、记忆力、看法和视觉灵敏度等各种因素的影响。

此外，观视距离的远近、物体的大小、物体表面粗糙度等等都会影响人们对物体颜色的感觉。

　　1、亮度的变化

　　自然光源受气候条件的影响，时刻发生亮度的变化，很不稳定。

如晴天和阴天的太阳光强度相差很大。

人造光源比自然光源稳定，但也有亮度的变化。

例如白炽灯，亮度增大时，颜色趋向于白；亮度减弱时，颜色趋向于红。

光源的亮度变化对物体颜色有直接的影响。

物体的固有色在入射光亮度适中的时候表现最充分。

太亮的强光会使固有色变浅，太暗则会使固有色灰暗乃至消失。

　　2、距离的变化

　　光源与观察者距离的变化，会使光源色发生改变。

如白炽灯光，随着距离的推远，其颜色由黄逐渐向橙、橙红、红色变化。

　　光源色对物体色的影响主要表现在物体的光亮部位。

不同的光源色对物体色彩变化的影响程度各不相同，大致以红光最强﹑白光次之﹑再次为绿、蓝、青、紫等。

　　3、环境色对物体颜色的影响

　　物体在标准日光下的颜色，称为固有色。

　　自然界中的一切物体都有其固有的本征频率，对入射的白光都有固定的选择吸收特性，也就具有固定的反射率和透射率。

因此人们在标准日光下看到的物体颜色是稳定的。

固有色给人的印象最深刻，形成了记忆，又称为记忆色。

　　环境色对物体色的影响在物体的暗部表现得比较明显。

环境色对物体的颜色的影响取决于环境色的强弱，邻近物体与被观视物体的距离，被观视物体表面粗糙程度和颜色等性质。

一般地说，邻近物体与被观视物体靠得越近，被观视物体表面越光滑，反射光线越强，则环境对被观视物体的颜色所施加的影响也越大。

反之，与邻近物体距离越远，表面越粗糙，颜色越浅，物体受环境色的影响越小。

　　环境对颜色的影响还有另一种形式，如图所示，中央的小方块都具有同样的灰度，但由于受到周围的颜色的影响，使人对每一块色块有的不同感受。

因此，如不把观视条件确定下来，无法把同一色块的物理性质和它所引起的视觉感受统一起来的。

为此国际标准照明委员会（CIE）推荐了一套标准观视条件。

　　物体的基本颜色特征是固有色，但由于光源色与环境色的影响使物体表面的色彩丰富多变。

在特定的光源与环境下物体呈现的颜色称为条件色。

每一物体的颜色都是物体的固有色与条件色的综合体现。

一般说来，物体的固有色很容易确认，而条件色却很复杂。

一件好的灯光艺术作品，恰恰是通过条件色来充分体现其复杂的空间关系的。

参考文献

　　　１、色彩原理与色彩构成安宁

　　　２、色彩艺术[瑞士]约翰内斯.伊顿著.杜定宇译

　　　３、色彩史话[日]城一夫著.亚健，徐漠译

　　　４、中间视觉浅析复旦大学电光源研究所姚佩玉　林燕丹　邵　红　陈大华