《颜色开发培训讲义》3.颜色感知三要素

《颜色开发培训讲义》3.颜色感知三要素

了解了关于颜色的基本概念之后,我们来到关于颜色的重点知识了——颜色感知三要素。

我们之所以看到的物体的表面色,是由于来自于光源(包括太阳,电灯等)的光到达物体那里,该物体自身属性对不同波长光线进行选择性吸收反射,没有被吸收的或被反射的光到达观察者(包括人,电脑),通过观察者的对这些光的分析编码,形成我们看到的颜色。

所以颜色感知的三要素,光源,物体和观察者,缺一不可,缺少一个要素,我们看不到颜色,或者其中一个要素发生改变,我们看到的颜色都会不一样。

以下逐一分析颜色感知的三个要素。

要素1:光源

光源就是能够发光的物体。光源有很多种,如太阳,荧光灯管,白炽灯等等。但是这里有一个问题,不同光源性质是不一样的,有些光源会亮一点白一点,如太阳,或者就是太阳光,一天内不同时间段的太阳光也会有很大差异,导致在这些不同的光源下看相同一个颜色都会有很大差异.

所以我们在颜色开发或者颜色沟通交流的时候,会指定一个标准光源,这样能确保我们双方看颜色条件的一致性。我们比对颜色使用的光源都是有标准规定的光源。通常在下图所示的对色灯箱里看颜色。灯箱里面装有不同的常用光源。

常用的光源主要有以下5种:

D65:用来模拟白天没有天阳光直射的自然光。大部分客户都会使用这种光源;

TL84:主要用于一些欧洲商品里面的光源;

CWF:冷白荧光,主要用于一些美国商品里面的光源;

A光源:也就是我们常见的白炽灯;

UV灯:紫外灯,主要用于观察物体是否含有荧光颜色,比如下图的荧光增白剂。

下图也大概显示了相同颜色的物体在不同光源下颜色会出现的差异。所以颜色的前期开发是必须了解客户的常用对色光源,我们开发颜色时也使用一致的光源。

想了解更详细的光源介绍,请参考阅读:

光源

色温与显色指数

常用光源

对于光源的性质,可以通过光谱功率分布曲线(SPD)来描述。不同的光源有着不同的光谱功率分布曲线。光谱功率分布(SPD)的意思就是光源发出可见光的不同光谱波长(400nm~700nm)的功率是不同的。

如下图显示了三种常用的光源(Daylight、CWF、illuminant A)的光谱功率分布:

比如,对于A光源(最右的图),从光谱功率分布曲线图看到,横坐标是可见光波长(从图片上也很直观看到不同波长所代表的颜色),纵坐标是发出的电磁波功率大小,可以理解成强度的大小。

图中的曲线代表着A光源发出的不同波长的电磁波的功率的不一样的。从图上可以看到,A光源发出的电磁波,短波的功率较低(可以理解成发出的蓝光绿光是比较少),长波的功率较大(可以理解成发出的红光黄光比较多)。所以光从A光源这个光谱功率分布曲线也可以大致了解,这A光源发出的是一种比较暖的红黄相的光线。就是下图我们常见的白炽灯。

要素2:物体

物体的性质,就是对光线的选择性吸收的能力,没有被吸收的光线到达观察者,我们就看到这个物体的颜色。

比如上图这个红色物体,我们之所以能够看到这个物体是红色,是因为来自光源的光线到达这个物体表面,这个物体自身的性质,吸收光线中的蓝光、绿光和黄光,唯独红色光没有被吸收,而没有被吸收的红光反射出来,达到观察者那里,因为我们只能看到反射出来红色光,所以我们就看到这个物体是红色的。这就是物体呈现出表面色的过程。

因为物体关于颜色的性质是对不同波长的电磁波的选择性吸收,所以我们用光谱反射率曲线来表达物体的这种性质。

如下图,是使用分光光度计(Spectrophotometer)测到的一个物体颜色的光谱反射率曲线:

其中

横坐标是波长(wavelength),也就是可见光,我们也很直观的看到不同波长代表的颜色;

纵坐标是%R是反射率(reflectance ),表示物体对特定波长的反射率。

(注:纵坐标的%T表示透过率,讨论透明色使用。)意思是如果某种波长的电磁波没有被吸收的话,这个物体对这种电磁波的反射率就高。

红色曲线代表这个颜色的光谱反射率曲线。

从上面的图可以发现:

在360nm~580nm波长的光谱反射率较低,表示该物体吸收了这个波长段的光谱;

在580nm~750nm波长的光谱反射率较高,表示该物体反射出这个波长段的光谱。

所以我们看到的颜色正是被反射出来的580nm~750nm波长的光,也就是红黄相的颜色。

这个光谱反射率曲线就是代表了下图这个红色物体对光的吸收和反射的性质。

除了红色,下图也列举的常见的蓝色和绿色的光谱反射率曲线。

蓝色:对长波的反射率是比较低,也就是蓝色物体吸收了黄光和红光

绿色:对长波(红黄光)和短波(蓝光)的反射率是比较低的。

看完彩色,我们再看看黑白灰的光谱反射率曲线。之前介绍的红色绿色蓝色的光谱反射率曲线的最大特征是,它有明显的波峰。波峰所在的位置的电磁波波长代表着这个物体的颜色。但是黑白灰就不一样。

白色:物体之所以能够呈现出白色,是因为这个物体对不同波长的电磁波几乎都不吸收,所以都被反射出来,从白色的光谱反射率曲线图看到,各个波长的光谱的反射率都比较高。如下图:(注:下图在小于400nm波段,也就是对紫外线的反射率比较低,这是因为这是钛白粉的光谱反射率曲线,钛白粉的性质就是会吸收部分紫外线)

黑色:黑色跟白色刚好相反,黑色物体几乎完全吸收所有波长的电磁波,所以从黑色的光谱反射率曲线来看,所有波长的光谱的反射率都很低很低。如下图:(就是下图箭头所指的下面一条浅蓝色的直线)

灰色:灰色的性质介于白色和黑色之间,对所有波长的光谱都部分吸收,其光谱反射率曲线是居中。如下图:

想了解更多关于光谱反射率曲线,请参考阅读:

你看得懂颜色的光谱反射率曲线吗?(干货)

从光谱反射率曲线判断是无机还是有机颜料

颜色光谱反射率曲线有什么用?

要素3:观察者

观察者分为两类,人(人眼)和电脑(测色仪)。对应的就是颜色判定的两种手段,目视对色和数据对色。

首先介绍一下我们人眼是如何看到颜色。人眼构造很复杂,但我们只需要关注三个组织——角膜、晶状体和视网膜——就知道被物体反射的光如何到达我们的大脑中进行分析。

如下图,光线到达人眼前,通过眼球角膜对光线的折射,再经过晶状体大小的调节让视野焦点准确地落在视网膜上。但是如果晶状体出现问题,可能会将焦点落在视网膜前面,这就是近视眼,如果晶状体将焦点落在视网膜后面,这就是远视眼(老花眼)。

光线达到视网膜后,视网膜的构造也很复杂,如下图,在视网膜中经过光感受器,或者说是感光细胞的处理,将光信号转化为电信号,然后通过神经节细胞的传递,到达我们大脑的视觉皮层进行分析。

其中,感光细胞才是我们对于颜色感知的主要部分。

感光细胞有两类:杆体细胞(视杆细胞)和锥体细胞(视锥细胞)。这些细胞是根据其形状命名的,如下图:

杆体细胞是暗视觉器官,对弱光反应灵敏,在低照明水平情况下发生作用,但不能感受颜色。

椎体细胞是明视觉器官,使我们看到彩色和非彩色。

所以以下我们只需要关注椎体细胞。

椎体细胞也有三类,分别是:

蓝视锥(S型视锥细胞)

绿视锥(M型视锥细胞)

红视锥(L型视锥细胞)

研究人员已经记录了每种视锥细胞对每一波长的光的不同响应情况。也就是说,这三种椎体细胞的响应决定于刺激它的光的波长。

下图展示了不同视锥细胞的光谱响应曲线。三条曲线分别对应三种视锥细胞。他们的峰值分别出现在短波长(S),中波长(M)和长波长(L),所以我们也这样命名:

蓝视锥(S型视锥细胞):对短波(蓝光)的响应很高,但对长波几乎没有响应;

红视锥(L型视锥细胞):对长波(红光)的响应很高,但对短波几乎没有响应;

绿视锥(M型视锥细胞):介于蓝视锥和红视锥之间。

这里举个例子,我们为什么看到580mm波长的光是黄色呢?

580nm波长的光,照射到我们的眼睛,然后三种视锥细胞就开始起作用了:

蓝视锥:几乎没有响应,响应为0;

绿视锥:部分响应,大概45%;

红视锥:响应很大,差不多95%。

这样这三种视锥细胞形成一组参数(0,45,95),将580nm波长的电磁波从光信号转化为这种数字的电信号,传递到大脑的视皮层,进行编码,就形成了我们对580nm波长的光的感知——黄色。黄色跟(0,45,95)这组编码一 一对应。反过来,无论你通过怎样的光的混合,只要产生(0,45,95)这组编码,大脑就会辨认出黄色。

想了解更多人眼的特征,请参考阅读:

鱼儿离开水能看得清吗?

神经细胞也会嫉妒?

光明是因为没有黑暗?

1+1=1?!

为什么彩虹中没有紫色(purple)

以上就是我们人眼如何看颜色的过程。明白了人眼的颜色辨认的原理之后,我们也大概了解电脑(测色仪)是如何辨认颜色。

类似人眼三种视锥细胞对不同波长的光的响应,研究人员也得到一个标准观察者的三刺激值(x,y,z),作为测色仪辨别颜色的视锥细胞。通过这三个参数xyz,来描述一个颜色,也就是后面将要介绍的CIE-XYZ颜色空间。

小结

分别讲解了颜色三要素:物体,光源,观察者。以及他们的一些特征,如,物体的光谱反射率曲线,光源的光谱能量分布曲线,还有标准观察者的三刺激值。

无论你们理解不理解这些概念,你们必须记得颜色感知的三要素,光源,物体和观察者,缺一不可,缺少一个要素,我们看不到颜色,或者其中一个要素发生改变,我们看到的颜色都会不一样。

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