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10.物体颜色的指纹:光谱反射率曲线 《颜色-不是你想象的那样(第二版)》

物体的性质

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。

物体对光线的选择性吸收反射可以用光谱反射率曲线来表达。


01

光谱反射率曲线

光谱反射率曲线 spectral reflectance curve被物体反射的光通量与入射到物体的光通量之比,即光反射比与波长之间的关系曲线。一种物体的光谱反射率曲线反映了该物体对入射光的光谱选择性吸收、光散射以及物体表面的镜面反射的综合特性。是颜色测量、色差计算评比、电脑配色等色度计算的基础。

——百度百科

光谱反射率曲线被称为物体表面色的“指纹”。

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。

02

如何看懂颜色的光谱反射率曲线

(1)彩色与非彩色的概念

我们知道人眼能感知到的光的平均波长,只有400nm到700nm,称为「可见光」。这些仅仅是光这偌大范围中的一小部分。相比之下,这个部分似乎很小,但仅仅这一部分,已经足够为我们的视觉和思维提供一幅奇幻的空间。

我们可以辨别出可见光谱中的一千万种区别。

当我们看见了全部范围的可见光,或者说各个波长的可见光比例都一样,眼睛就会读出「白色」或者说「非彩色」。当某些光波消失时,眼睛就会读出「彩色」(根据补色原理,我们看到消失光波颜色的补色)

(2)非彩色

没有色相的白色,灰色,黑色物体的光谱反射率曲线都是比较平缓的曲线,反射出来的各个波长的光都一样,反射比例高就是白色,反射比例低成为黑色,反射比例居中,就是灰色。

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:

▲白色

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:

▲黑色

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:

▲灰色

(3)彩

有色相的彩色物体的光谱反射率曲线可以看到明显的高低起伏。因为某些波长的光被物体吸收掉,物体能反射该波长的光的比例就小。而没有被物体吸收掉的光大部分被反射出来,比例就大。

1、峰值法——最容易理解,有特征峰。峰值就是占最大比例的波长,显示出来的颜色当然是该峰值所在的波长的颜色。

▲蓝色

▲绿色

2、补色法——也很容易理解,被吸收的补色,看特征谷。被吸收的波长少,而反射出来的波长种类多时,可以采用这种方法——反射出来的光的颜色就是被吸收的波长的补色。

例如:

红色,是因为物体吸收了蓝和绿光(青色),所以呈现出补色——红。

▲红色

黄色,是因为物体吸收了蓝光,所以呈现出补色——黄。

▲黄色

(3)混色法:一般只针对红紫色。因为由于红紫色(purple)是非光谱色,也就是说没有代表该颜色的波长的光。但是色环的定义是每个颜色都跟该颜色相邻的颜色相近,而且色环上任何一种色光,都可以用其相邻两侧的两种单色光,甚至是从次近邻的两种单色光混合而复制出来。所以红紫色(purple)可以用红光和紫光混合得到。

▲红紫色

橙色是由红黄的混合而来,特征居于红黄之间,也可以用混色法解释

▲橙色

(4)深色与浅色

上面已经分别列举了「蓝绿紫」,和「红黄橙」的光谱反射率曲线。我将蓝绿紫归为一类,将红黄橙归为另一类,是有原因的。前者属于深色,后者属于浅色。

「蓝绿紫」的光谱反射率曲线是由一些峰组成,相对于「红黄橙」来说,可以直观地看到「蓝绿紫」这些颜色吸收的光的比例较多,所以颜色看起来比较深。

03

用光谱反射率曲线理解减法混色

综合之前的概念:

  • 颜色的光谱反射率曲线

  • 减法混色原理

今天是实操课,如何用光谱反射率曲线来理解减法混色原理:

蓝+黄=?

(1)蓝的光谱反射率曲线

下图是一个蓝色的光谱反射率曲线。很容易看到在450nm左右有一个峰,即主波长为450nm,代表的是蓝色

(2)黄的光谱反射率曲线

下图是一个黄色的光谱反射率曲线。

(3)蓝+黄=

如果把上面的蓝色和黄色混在一起,会变成什么颜色呢?

如下图,把蓝色黄色的光谱反射率曲线放在一起,你可以想象成蓝色颜料跟黄色颜料相混:

(4)解释

我们可以得出的结论:

  1. 颜料的混合根据减法混色原理,颜色肯定变暗,因为颜料多了,吸收的光也越多;

  2. 黄色 颜料吸收了蓝色颜料没有吸收的350nm~450nm附近的光;

  3. 蓝色 颜料吸收了黄色颜料没有吸收的550nm~700nm附近的光;

  4. 剩下的光只有都没有被黄色和蓝色完全吸收的450nm~550nm附近的光;

  5. 没有被吸收的450nm~550nm附近的光被反射出来,被我们看见,就是青绿色的光,如下图绿色部分

  6. 黄色和蓝色颜料的比例会影响最终的颜色:

    黄的比例多——颜色往黄的方向偏移——成为黄绿色;

    蓝色比例多——颜色往蓝的方向偏移——成为青蓝色。

整理过后就是下图:

我们也可以分析上面这个光谱反射率曲线:

很容易看到在500nm左右有一个峰,即主波长为500nm,代表的是青色。

参考阅读:

04.一文看懂光源色和表面色的混色原理《颜色-不是你想象的那样(第二版)》

知识账本

     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。物体对光线的选择性吸收反射可以用光谱反射率曲线来表达。通过光谱反射率曲线可以理解一个颜色,以及其混色原理

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