光与色基本知识
1.1 光与颜色
光是一种电磁波，（电磁波包括宇宙射线、X射线、紫外线、可见光、红外线等，它的波长范围很宽。短的小于1nm,而长的超过103km。）
我们眼睛能见到的光，即可见光，其波长在400～700nm之间。光是由光源发出的，（常见的光源有太阳、灯、火焰等。）
物体会显示出各种各样的颜色，其根本原因就是它对光具有选择吸收的特性。光照在物体上，物体可选择吸收某种波长范围的光，而将其余波长的光反射出来，反映到人脑中，就得到这种物体显示什么颜色的印象。如蓝色的物体吸收红和黄光而反射蓝光，黄色的物体吸收红和蓝光而反射黄光。
因此，物体的颜色可以认为是光源发出的光经过物体的一系列吸收、反射等作用后对人眼产生的一种刺激作用。
1.3颜色的基本属性
将自然界不同的颜色归类，可以简单地分为彩色和消色两类。消色又称非彩色，黑、白、灰等皆为消色。非彩色以外的各种颜色，都称为彩色。
人们通过对颜色的研究发现，自然界中的所有颜色都可以用明度、色相和饱和度三个属性来描述。
明度是表示物体表面明亮程度的一种属性，在非彩色中最明亮的颜色是白色，最暗的颜色为黑色，其间分布着不同的灰色。
也就是说白色明度最高，黑色明度最低，而灰色的明度则介于白色和黑色之间。各种不同的彩色也有明度高低之分，通常明亮的颜色明度高，而比较暗的颜色则明度较低。如同样是红色，暗红色的明度就低于浅红色。
色相是颜色彼此相互区分的特性。可见光谱不同波长的辐射表现为视觉上的各种色调，如红、橙、黄、绿蓝等。
物体表面色的色相决定于三个方面，一是照明体光源的光谱组成，二是物体对光的吸收和反射特性，三是不同的观察者。后者是一个容易被忽略而又不容易觉察的因素，以为在一般的条件下很难发现人与人之间的视觉差别，以及在不同的观察条件下视觉上的差别。
发光物体的色相决定于它的光辐射的光谱组成。
非发光物体的色相决定于照明光源的光谱组成和物体本身的光谱反射特性。
（纺织品属于非发光物体）。
饱和度是指颜色的纯洁性。可见光谱中的单色光是最饱和的颜色，为100%。饱和度的高低可以从光谱色与白光的混合来理解。任意一个颜色都可以看成是白光与光谱色混合后得到的，此时白光的成分越多，则饱和度越低，白光的成分越少，则饱和度越高。白色、标准灰色和黑色的饱和度最低，为0或者说没有饱和度。
一般地说，明度决定于有色物质的深浅，色相决定于有色物质的颜色，而饱和度则和颜色的鲜艳度有关。但是，这些关系往往都不是简单的线性关系。例如，饱和度和鲜艳度之间的关系就很复杂，这主要是因为饱和度是一个色度学概念，而鲜艳度则受相当大的心理因素影响。
对于颜色的这三个属性，人们常用三维空间的类似球体的模型来表示，纵坐标表示明度，围绕纵轴的圆环表示色相，离开纵轴的距离表示饱和度。
1.4颜色的混合
两束不同波长的光叠加在一起，就会得到与原来两束光具有不同性质的光。同样，两种不同颜色的染料混合在一起，也会得到与原来两种染料颜色完全不同的混合物。这就是我们日常生活中常见的颜色混合。经过研究发现，上述两种颜色混合方式的规律是完全不同的。
为区别起见，人们把光的混合称之为加法混色，而把对光具有吸收作用的物质如染料、颜料、滤光片等的混合或叠加称为减法混色。
1.4.1 加法混色
加法混色是指各种不同颜色的光的加和。三个原色光为红（R）、绿（G）、蓝（B），把这三种光以适当的比例混合可以得到白光。加法混色中的基本规律是由格拉斯曼（H.Grassman）在1854年提出的，称为格拉斯曼混色定律。是目前颜色测量的理论基础，其基本内容是：
（1） 人的视觉只能分辨颜色的三种变化，即明度、色相、饱和度。
（2） 在有两个成分组成的混合色中，如果一个成分连续变化，混合色的外貌也连续变化。由这个定律导出两个定律：
补色定律：每一种颜色都有一种相应的外貌。如果某一种颜色与其补色以适当的比例混合，便产生近似于比重较大的颜色的非饱和色。
中间色定律：任何两个非补色相混合，便产生中间色，其色相决定于两个颜色的相对数量，其饱和度决定于两者在色相顺序上的远近。
（3） 颜色外貌相同的光，不管其光谱组成是否一样，在颜色混合中具有相
同的效果。换言之，凡是在视觉上相同的颜色，都是等效的。由这一定律导出颜色代替律。即相似色混合后仍相似。如果颜色A与颜色B相等，颜色C与颜色D相等，则：
颜色A+颜色C=颜色B+颜色D
代替律表明，只要在感觉上颜色是相同的，便可以互相代替（但必须在相同的条件下代替）所得的视觉效果是相同的。如设颜色A+B=C，而X+Y=B，那么，有A+（X+Y）=C，所得到的颜色C与前面的颜色C在视觉上具有相同的效果。
根据代替律可以用颜色混合的方法产生或代替各种需要的颜色。颜色混合的代替律是一条很重要的定律，现代色度学就是建立在这一定律的基础上的。
（4）混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色亮度的总和。这一定律叫做亮度相加定律。
加法混色除了光的直接混合外，人们还发现了在两个颜色光距离非常小，人眼不能分开来或是两个颜色频繁交替作用于人眼睛的同一部位时，也会产生加法混色效应，如彩色电视机和转盘式混色装置都属于加法混色。
彩色电视机荧光屏的混色是加法混色在日常生活中的典型例子。彩色电视机是由红、绿、蓝三种荧光粉以下图所示形式排列的。这些荧光粉的点子极小，普通彩色电视机大约为0.3 mm左右，也就是说在一个平方毫米的范围内大约有红、绿、蓝各三个共9个点子，这样小的荧光点，在1.5m的距离上和人眼所成的张角为1′，小于视网膜上锥体细胞的面积，即超过人眼睛的分辨能力，所以，我们看到的仅仅是三种光混合的结果。
加法混色在印染上的典型实例为纺织品的荧光增白。经煮练、漂白后的织物仍带有一定的黄色，即织物的反射光中缺少蓝紫色的光，而荧光增白剂可以吸收紫外光激发出蓝紫色的可见光，蓝紫色的光与黄光相加，则可以得到白光，所以织物的白度增加。
1.4.2减法混色
减法混色最常见的事例是染色过程中染料的混合。
减法混色中的三原色为黄、品红、青（通常称为“红”、“黄”和“蓝”）。染色纺织品之所以呈现某种颜色，例如蓝色，是因为其中的染料把照明白光中的红、黄、绿光大部分吸收了，因而反射出来的主要是蓝光。至于呈黄色，则是因为白光中的蓝紫色大部分被吸收了的缘故。因此将蓝色与黄色染料混在一起，就相当于白光先后通过蓝色和黄色之滤光片，从而把红、黄、蓝、紫等色光都吸收了，剩下的就是绿色。
纺织工业中经常应用减法三原色，通过减法混色，得到许多色泽。加色法三原色通过加法混合得出减色法三原色，减色法三原色通过减法混合得到加法三原色。加法混色与减法混色的重要差别之一，就是加法混色亮度增加，而减法混色的亮度减小。
1.4.3平均混色
除了加法混色和减法混色之外，还有一种称为平均混色。颜色的平均混合可以用陀螺的例子来说明：先在陀螺面上贴几种颜色，如黄色和蓝色，然后将陀螺快速旋转起来，这时我们看到的颜色将会是绿色，它是黄色和蓝色两种颜色在人眼的视觉反应时间内频繁作用于视网膜所产生的一种效果。由于这种混合的结果只使色相发生混合变化，而总的亮度并不变，所以是平均混合。
1.5 CIE标准色度系统
物体颜色的定量度量是很复杂的，它涉及到观察者的视觉生理、视觉心理以及照明条件、观察条件等许多问题，为了能够得到一致的度量效果，国际照明委员会（简称CIE）规定了一套标准色度系统，称为CIE标准色度系统。
1.5.1颜色匹配
颜色可以互相混合，颜色混合可以是颜色光的混合，也可以是染料的混合，这两种混合方法所得到的结果是不同的，前者称为颜色相加混合，后者为颜色相减混合。
根据格拉斯曼颜色混合定律，外貌相同的颜色可以相互代替，相互代替的颜色可以通过颜色匹配实验来找到。把两个颜色调节到视觉上相同或相等的方法叫做颜色的匹配。颜色匹配实验中选取三种颜色，由它们相加混合能产生任意颜色，这三种颜色称为三原色，亦称为参照色刺激。三原色可以任意选定，但三原色中任何一个原色不能由其余两种原色相加混合得到。最常用的是红、绿、蓝三原色。在颜色匹配实验中，与代测色达到色匹配时所需要的三原色的数量，称为三刺激值。也即R、G、B值。一种颜色与一组R、G、B数值相对应，颜色感觉可以通过三刺激值来定量表示。任意两个颜色只要R、G、B数值相同，颜色感觉就相同。
1.5.2CIE1931标准色度系统
用三刺激值来定量描述颜色量是一种可行的方法。为了测得物体颜色的三刺激值，首先必须研究人眼的颜色视觉特性，测出光谱三刺激值。实验证明不同观察者的视觉特性多少是有差异的，但是具有正常颜色视觉的人此差异是不大的，故有可能根据一些观察者进行的颜色匹配实验，将他们的实验数据加以平均，确定一组匹配等能光谱色所需要的三原色数据。此数据称为“标准色度观察者光谱三刺激值”，以此来代表人眼的平均颜色视觉特性。当时，不少科学工作者进行了这类实验，但是由于选用的三原色不同及确定三刺激值单位的方法不一致，因而数据无法统一。1931年在美国举行的CIE第8次会议上，统一了上述实验结果，提出了最早的主要推荐书—CIE标准色度观察者和色品坐标系统；并规定了三种标准光源（A，B，C）；还对测量反射面的照明观测条件进行了标准化。建立了CIE1931标准色度系统，从而奠定了现代色度学的基础。
1.5.3CIE1964补充标准色度系统
CIE1931标准色度系统建立后，经过多年实践证明，CIE1931标准色度观察者的数据代表了人眼22°视场的色觉平均特性。但是，当观察者增大到4°以上时，某些研究者波长在380nm至460nm区间内数值偏低。这是由于大面积视场观察条件下，杆体细胞的参与以及中央窝黄色素的影响，颜色视觉会发生一定的变化。日常观察物体时视野经常超过2°范围，因此，为了适应大视场颜色测量的需要，CIE 在1964年规定了一组“CIE 1964补充标准色度观察者光谱三刺激值”简称为“CIE 1964补充标准色度观察者”。这一系统称为“CIE1964补充标准色度系统”，也叫做10°视场X10Y10Z10色度系统。
1.5.4 CIE 标准照明体和标准光源
物体的颜色与照明光源有密切的关系，同一物体在不同的光源照明下会得到不同的结果，为了统一颜色的评价标准和进行色度计算，CIE 推荐了标准照明体和标准光源。我们遇到的物体常处于各种不同光源的照明下，最重要的光源是日光和灯光。日光随着天空云层、季节、时相、地点的不同，它的光谱分布会有显著的差别。
照明光源不同，物体的颜色就会有很大的差别。为了统一测量标准，CIE规定了标准照明体和标准光源。CIE对颜色的评价是在它规定的照明体或光源下进行的。
CIE 推荐的标准照明体有A，B，C，D，E。
CIE 标准照明体A、B、C、E
标准照明体A：代表绝对温度2856K的完全辐射体的辐射。
标准照明体B：代表相关色温大约为4874K的直射日光，它的光色相当于中午的日光，
标准照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均昼光。它的光色近似于阴天的天空光，
CIE规定用下列人工光源来实现标准照明体A，B，C。
标准照明体A：分布温度为2856K的充气钨丝灯。如果要求更准确地实现标准照明体的紫外辐射的相对光谱分布，推荐使用熔融石英壳或玻璃壳带石英窗口的灯。
标准照明体B：A光源加一组特定的戴维斯-吉伯逊液体滤光器，以产生相关色温为4874K的辐射。
标准照明体C：A光源加另一组特定的戴维斯-吉伯逊液体滤光器，以产生分布温度为6774K的辐射。
研究表明标准照明体B和C不能正确地代表相应时相的日光，预料将来会被淘汰而用标准照明体D代表日光。
标准照明体E：将在可见光波段内光谱辐射功率为恒定值的光刺激定义为标准照明体E，亦称为等能光谱或等能白光。这是一种人为规定的光谱分布。实际中不存在这种光谱分布的光源。
CIE 标准照明体D：
标准照明体D代表各时相日光的相对光谱功率分布，也叫做典型日光或重组日光。由于典型日光与实际日光具有很近似的相对光谱功率分布，并且比标准照明体B和C更符合实际日光的色品。虽然对于任意相关色温的D 照明体的 光谱分布都可以由公式求得。但是CIE有先推荐D55、D65、D75的相对光谱功率分布作为代表日光的标准照明体。CIE 建议，为了促进色度学的标准化，在可能情况下尽量采用D65代表日光，
1.6 色差及色差计算
色差是指两个颜色在颜色知觉上的差异，它包括明度差、彩度差和色相差。在X、Y、Z颜色空间中每一个颜色都有一个相应的点，因此，能够以两点之间的距离来表示他们之间的差异应当是最简单、明了的。但是由于CIE推荐的X、Y、Z颜色空间是不均匀的。所以颜色空间中两对相等距离的颜色点并不一定给人以相同的的颜色感觉，因而在这一颜色空间中，不能以颜色点间的距离来表示色差。因此人们开始致力于均匀颜色空间和相应色差式的建立。象CIE1960U CS均匀颜色空间和CIE 1976L*a*b*均匀颜色空间等，都是在这种情况下提出来的。均匀颜色空间建立的途径不同，所得结果也不同，计算色差的公式也就不同，计算出来的色觉与视觉的相关性也不同。如此提出的色差式不下几十种。下面所列的色差式大多为目前常见的：
1） ANLAB色差式
2） CIE L*a*b*（CIELAB）色差式
3） CMC（I：C）色差式 公式中的I、C为调节明度和饱和度相对宽容量的两个系数。对于色差可接受性样品的评价时，则取I=2，C=1。公式即变为CMC（2：1）。
4） JPC79色差式
5） FMCⅡ式
6） CIE1976LUV色差式
7） 亨特（Hunter）式
1.7常用的测色仪器
常用的测色仪器有两类，一类是分光光度测色仪，另一类是光电积分式测色仪。
1.7.1 分光光度测色仪：通过对物体进行测量，测得其光谱反射率或光谱透过率，进而得出物体色的三刺激值和色度坐标的仪器称为分光光度测色仪。这类仪器由光源、单色仪、积分球、光电检测器和数据处理装置等几个部分组成。积分球是内壁用硫酸钡等材料刷白的空心金属球体，一般直径在60-200nm之间。球壁上开有测样孔等若干开口，以开口的面积不超过球内壁反射面积的10%为宜。内壁搪白时，可先涂二氧化钛环氧树脂做底漆，再涂高度洁白的硫酸钡粉末和聚乙烯醇、水等调剂而成的刷白剂。
分光光度测色仪产品型号介绍：瑞士DATACOLOR 公司的产品。
美国ACS公司的产品 ACS公司推出的2018测配色系统的分光光度仪是CS-5型
美国MILTON ROY 公司的产品 MILTON ROY公司推出的测配色系统选用的分光光度仪是DIANO公司生产的MATCHSCAN 2型。
美国MACBETH公司的产品 MACBETH公司最新推出的测配色系统选用的分光光度仪是色目3000分光光度仪和COLOR-EYE 7000分光光度仪。
美国X-RITE 公司的SP68型便携式分光光度仪。
1.7.2 光电积分式测色仪
光电积分式测色仪类测色装置是把具有特定光谱灵敏度的光电积分元件与适当的滤光装置组合，而得到的一种测色装置。常见的光电测色仪的产品有下面几种：
日本MINOLTA 公司的CHROMAMETER CR-210型光电测色仪
X-RITE公司CDM型手握式颜色色差计
HUNTER D25M-9色差计
ND-1001DP色差计
1.8同光异谱现象
不同的物体有不同的颜色，其原因是它们对光的吸收、反射特性不同。但是，有时我们会发现吸收、反射特性不同的两个色样（比如配方不同）却能够在特定的光源下相互匹配，这种现象称为“同光异谱”现象。这样的两种光刺激为同光异谱色。在工业生产中，特别是在印刷、印染、油漆、绘画、彩色摄影、彩色电视等行业中同光异谱的问题更是经常遇到的，就是要求配出和已给样品相同的颜色，要求配出颜色相同，光谱特性也相同是困难的，很大部分是同光异谱。同光异谱现象的产生与人眼不能分辨出混合色中的光谱成分有关。因此在观察者和光源改变或两者之一改变时，同光异谱的性质就会被破坏。同时由于样品的光谱反射比不同，失匹配程度也不同。所以就可以用改变观察者或改变照明光源后造成的色差大小来度量两样品同光异谱的程度。为了对颜色的同光异谱程度作定量的评价，1971年CIE公布了计算“特殊同光异谱指数（改变照明体）”的方法。这一方法的原理是，对于特定参照照明体和观察者具有相同的三刺激值的两个同光异谱样品，用具有不同相对光谱功率分布的测试照明体所造成的两样品间的色差作为特殊同光异谱指数Mt。CIE推荐选用标准照明体D65作为参照照明体，推荐测试照明体用标准照明体A或是照明体F。
联系客服
