CMF设计军团 · 中国设计界最为专注的CMF原创型研究平台 从事CMF,必绕不开色彩;要说色彩,就得讲讲色彩学;而要讲色彩学,作为现代色度学基石的大杀器——CIE色度图,是一定绕不过去的。不过这个色度图,一直让很多人头疼,不知道该怎么理解。很多资料也是浅尝则止。这也难怪,因为CIE色度图里的确有很多技术细节,三言两语说不清楚。 今天我们就来完成这个艰巨的任务,把它从头到尾扒一遍! 19世纪末20世纪初,现代物理学的发展突飞猛进。古希腊人“万物由原子构成”的猜想得到了现代实验的证实——17世纪~18世纪的一系列实验,证实了原子的真实存在。
受此启发,科学家们开始思考一个问题:能不能找到颜色的“原子”呢? 先来看看这个时代科学家已经知道了些什么。 1. 颜色的本质是光(1704年,牛顿); 2. 红绿蓝三种色光混合,可以生成各种色调的颜色(1855年,麦克斯韦); 3. 同色异谱现象(1854年,格拉斯曼颜色替代律); (即,如果有颜色A=颜色B,颜色C=颜色D,那么就有:A C=B D。这里的“=”,代表颜色外观一致,即所谓的“颜色匹配”。这个现象的存在,意味着颜色的叠加规律是线性的。并且,想要复现某个颜色的时候,并不需要复制一个一模一样的光谱,只需要掌握某种规律,就可以用另一种光谱得到一个同样的颜色。) 那么红绿蓝就是颜色的“原子”吗?
这个问题,取决于“是不是所有的颜色都可以拆分成红黄蓝的组合”。即,红黄蓝三色光相加,能不能生成所有人类能够感知到的颜色? 然后科学家们就开始了各种实验,最后发现答案是: 能,然而也不能。
什么鬼?! 先来看看这个实验是怎么做的。 首先,我们知道,每一个特定的颜色,都是由380到780波段的单色光叠加而成的。 所以,如果RGB三原色光能合成所有的单色光,不就能通过叠加的办法生成所有的颜色了吗? 因此这个实验,叫做“光谱色的色度特性“实验。
那么这个实验应该这么做: 1. 要有待对比的光谱色(单色光); ——用单色仪把分离出从红色到紫色的单色光,照在一个空白的墙上,得到单色光斑。 2. 要有三原色光,用来混合生成新的光斑,跟单色光的光斑做对比。 ClE选择了容易获得稳定光源的、获得的色域尽量大的三个波长: R:700nm(可见光谱的红色的末端); G:546.1nm(较明显的汞谱线); B:435.8nm(较明显的汞谱线); 这三束光可以通过一个装置改变亮度大小,从而配出不同的颜色。 3. 要让待测单色光和混合光并排放一起,方便对比。
4. 要有一个观察腔。 这样好把两个光斑遮住,避免外界环境光的干扰。当然还要留下一个观测小孔,让人能看到光斑。观察者从小孔后面观察,是为了严格控制视角大小。因为视角大小也会对颜色的判断有影响。CIE 1931采用的视角标准:2度(匹配人眼的黄斑尺寸)。
同时,还需要一个黑色的挡板把两个光斑分开,避免投射光线的时候相互干扰。 综上,画成图就是这样:
好了,准备了这么麻烦的一堆东西,都发现了什么? 1. 大部分的光谱色都可以用三色光复现; 写成数学公式就是: X = R G B (X用来指代某一个待匹配的单色光) (我知道很多人看到数学公式就有种要晕血的感觉。。。不要紧张!我保证整个过程都只有加减乘除!) 2. 一部分光谱色(主要是某些绿色和蓝色),不能简单的用加法复现,但可以用减法复现。 啥意思? 就是这样,要在待测光一侧加上一些红色,才能和某些蓝色和绿色的混合光匹配:
写成公式,就是: X R = G B 也就是: X = G B-R 为啥会这样?当年的科学家也是一脸懵逼。。。暂时先不管这个,我们继续。 总之,这个实验做完以后,我们对颜色的理解又加深了一步: 1. 任意一种光谱都可以拆解成(从380nm到680nm的)单色光的组合。 2. 任意一个单色光都可以拆解成三原色光的组合(虽然可能有负值)。 3. 于是任意一种颜色都可以拆解成三原色光的组合。 4. 任意一种组合都只能形成一种颜色。一旦三原色光的配比值确定了,颜色外观也就确定了。
啊,看到这里是不是都要睡着了? ——不要走开!接下来是见证奇迹的时刻! 因为以上信息串起来,就意味着,从今以后每一种颜色都可以用RGB组合的(唯一的)配比值来编号了!每一种! 每!一!种! 当我们通过测试,得到一个特定颜色的光谱之后,就知道了这个颜色每一个波长的强度值,也就知道了跟它等价的三原色光(RGB)的强度值。 然后把每一个波长上的R全部加起来,就是最终的R的强度值。同理,我们可以得到最终的G和B的强度值。 这样一来,就有了和这个特定的光谱等价的、RGB三原色光的配比值。 这个配比值,就可以用来给颜色编号。 经过归一化处理之后的配比值,就是所谓的色度坐标。 如此一来,自然界中、人眼能分辨的所有颜色,都有了靠谱的名字!所有! 什么潘通色卡,什么孟赛尔系统,什么真彩色,那都是浮云。。。 只要你能分辨出来的颜色,都可以用这个办法命名(编号)。 虽然用光谱曲线也能对颜色进行(唯一的)描述,但是!从780nm到380nm,足足有400个数据! 这样的命名方式是不现实的。 但如果用RGB的配比值来命名,就只需要3个数据(经过归一化之后,只需要两个数据)。这才是真正能用的编码方式。 人类走到这一步,花了三百年时间。 希望你们隔着屏幕也能感觉到科学家当年的激动。
好了,把每种波长的光的配比值(三刺激值)列成一张表,就长这样: (其实数据是从380nm一直到780nm的,只截了个开头~ 太长了,看个意思就行了~) 画出图来,就长这样: 我一时手痒,给它画了个三维图,想看看光谱色的3D轨迹是啥样的。 结果弄出来一看傻眼了。。。这啥玩意儿。。。 一条无法描述的曲线!根本看不出来规律!掀桌!(╯‵□′)╯︵┻━┻ 在没有3D绘图软件的1931年,要把这个图弄出来更是不容易。 这个时候,当然就应该祭出“归一化”这个数学工具,把三个自由度减少一个自由度,变成只有两个独立坐标的2D数据。这样就可以很方便的画出二维图像了。 归一化公式: 这样,就恒有r g b=1。 于是rgb三个参数里只有两个是独立的、有效的。我们就可以很方便的画出光谱色的二维图像了,这就是光谱色在CIE 1931 RGB色度图上的轨迹。 当然,这样一来,三刺激值中包含的“强度”信息就完全丢失了,只剩下了相对比值的信息。所以CIE 1931 RGB色度图里只能看出色度(色调、饱和度)的信息,看不出强度(明度)。 图长这个样子:
上图的蓝色轨迹,就是从780nm到380nm的单色光在色度图上画出的轨迹。是不是很歪?有一大半都落在第二象限,也就是说大部分绿蓝色的单色光都需要负的r值。 这样子实在是太拧巴了,用起来也别扭。 所以,在此基础上,又进行了一个数学上的坐标变换(坐标从rgb换成了xyz),把图拧过来,让负值全部变成正的。 当当当当!这就是我们平时看到的CIE 1931 XYZ色度图! (只画了光谱色的轨迹,剩下的事我们下次再讨论。) 很多人表示色度图难懂,但这一篇看下来你就知道,为了简洁的表述这个问题,科学家们真的已经尽力了。。。
—————前方高能的分割线————— 我知道有人要问,到底为什么会有负值呢?! 翻了很多资料,都没有讨论这个问题,所以现在只说说我的个人看法。 之前介绍了赫姆霍兹对人眼的红绿蓝三种视觉细胞的假象曲线:
下图是现代实验对此的修正:
从图上可以看到,其实红绿蓝三种视觉细胞,并不是我们一般认为的那种严格的窄带响应,它们的工作频段是相互交叠的。 说人话就是, 红色并不只响应红色光,而是对红绿蓝整个波段的光都会有相应,只不过强度有高有低。 也就是说,几乎每一个波长的单色光,都会同时引起红绿蓝三种视觉细胞的响应。 从这个意义上来说,根本没有什么三原色光。所有的颜色响应都是纠缠在一起的,没法摘干净。 现在,让我们从534nm的单色光开始做匹配实验。 三原色光就选三种视觉细胞相应的峰值:420nm,534nm,564nm。 那么就有: (534nm)= k×(534nm) 即,只需要534nm的光即可,420nm和564nm强度为零。k是一个调整强度的系数。 进一步,来匹配550nm的单色光(长波长方向)。 观察一下上图视觉细胞的响应曲线,就知道550nm会让绿色视觉细胞的响应值变小,蓝色的也变小,而红色的变大。 于是就需要适当的减小绿色的原光(534nm),再加上一点红光(564nm),同时减去一点蓝光(420nm)。即: (550nm)= k×(534nm) m×(564nm)- n×(420nm) 为了防止把大家眼睛看花,先不管强度系数好了,于是有: (550nm)= (534nm) (564nm)-(420nm) 但一开始,420nm和564nm的强度都为零,所以这里“减去”蓝光是没有物理意义的,只能把它加到(550nm)一侧。即: (550nm) (420nm)=(534nm) (564nm) 同理,如果是要匹配500nm的光(短波长方向),就有: (500nm) (564nm)=(534nm) (420nm) 不管选择什么样的三原色,不管从哪一个单色光开始做匹配试验,这个“减”的操作,都是不可避免的。 究其根本,就是由视觉细胞响应曲线的形状所决定的。 所以说,科学家寻找颜色的“原子”的努力可以说是失败了。。。 但如果给“减”也赋予物理意义,三原色的理论也是成立的、有效的。只不过这个“原色”并不能按照一开始那么简单的理解。 同时,这个“失败”的努力还带来了色度图这样的利器,开启了现代色度学的大门。直到现在,色度图都还在不断进化中。 下次见~ 作者:endlessring |
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