關(guān)于顏色的基本知識(shí)——LED知識(shí)（五）

施克孝

（中廣國(guó)際建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100034）

今年5月舉辦的“第九屆中國(guó)國(guó)際演藝設(shè)備與科技論壇”對(duì)當(dāng)今綠色照明與舞臺(tái)燈光，特別是對(duì)LED光源及燈具進(jìn)行了深入的探討。大多數(shù)發(fā)言者都談到了“色度圖”、“色域”等有關(guān)顏色的問(wèn)題。會(huì)后，很多燈光師都想多了解一些有關(guān)顏色的基本知識(shí)，以便更深入地理解LED應(yīng)用中的色彩問(wèn)題。本文就簡(jiǎn)單地談?wù)勱P(guān)于顏色的基本知識(shí)。

1 色度學(xué)的定義和“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)眼”

人雖然出生幾個(gè)月就開(kāi)始識(shí)別顏色，但要把顏色說(shuō)清楚卻不是一件容易的事。現(xiàn)在，有一門(mén)專(zhuān)門(mén)研究人眼對(duì)顏色感覺(jué)的規(guī)律的科學(xué)，這就是“色度學(xué)”，它是生理光學(xué)的一個(gè)分支。色度學(xué)研究光的三個(gè)屬性：色調(diào)（色別，就是何種顏色）、飽和度（顏色的濃淡程度）、亮度。這三個(gè)屬性中，色調(diào)、飽和度顯得更重要，是色度學(xué)研究的重點(diǎn)。因?yàn)橹饕芯可{(diào)的“色”和飽和度的“度”，就構(gòu)成了“色度學(xué)”。

嚴(yán)格地說(shuō)，每個(gè)人的視覺(jué)并不完全相同，即使在視覺(jué)正常的人們中間，也有一定的差別。目前在色度學(xué)上為國(guó)際上所引用的數(shù)據(jù)，是由CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）組織若干視覺(jué)正常的人進(jìn)行觀(guān)測(cè)，把這些觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值。就技術(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，取這組數(shù)據(jù)的平均值代表人眼的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，已有足夠的準(zhǔn)確性。因此，代表這種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的眼睛，就稱(chēng)為“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)眼”。若某個(gè)人的視覺(jué)正好與上述一組觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值一樣，他的眼睛也可以稱(chēng)為“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)眼”。色度學(xué)的所有數(shù)據(jù)都是用“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)眼”觀(guān)測(cè)得到的結(jié)果。

2 顏色的確切含義

在日常生活中，人們常常把顏色歸屬于物體本身的屬性。比如，這張紙是白的，那塊布是藍(lán)的等。實(shí)際上，我們看到的物體顏色，除了受物體本身的反射特性影響之外，還和照明的條件有關(guān)。通常我們所說(shuō)的顏色都是在陽(yáng)光下的顏色。一塊白色的屏幕，我們稱(chēng)它為“白色”，是因?yàn)樗鼘?duì)不同波長(zhǎng)的光具有同樣高的反射特性；如果在黑暗的條件下用紅光照射“白色”的屏幕，則屏幕就顯示紅色。我們說(shuō)的“藍(lán)色的布”，也同此理。藍(lán)色的顏色本質(zhì)是，它只反射光譜中藍(lán)色的成分，而吸收了其他顏色的光譜成分。如果在暗室中用紅光照射藍(lán)色的布，藍(lán)布將呈“黑色”。這是因?yàn)椋t光被藍(lán)布吸收了，而它能反射的藍(lán)色光譜，光源中卻沒(méi)有。我們?cè)诎谉霟粝驴此{(lán)色的布，總不如在陽(yáng)光下顯得鮮艷，就是因?yàn)榘谉霟舻墓庾V中藍(lán)色成分不如陽(yáng)光中多的緣故。

這些事實(shí)說(shuō)明，人眼看到的顏色，不但取決于物體本身的特性，而且還與照明光源的光譜成分有關(guān)，即人眼看到的顏色是物體本身的屬性與照明條件的綜合效果。我們用色度學(xué)的原理來(lái)評(píng)價(jià)，就是指的這種綜合效果。

人眼對(duì)于顏色的感覺(jué)，還存在著“同色異譜”現(xiàn)象。所謂“同色異譜”，就是說(shuō)，有一個(gè)光譜分布，就有一種顏色；但同一種顏色，可以由不同的光譜成分組成。例如，一張白紙的白色，可以由陽(yáng)光照射得到，也可以由紅、綠、藍(lán)三種單色光按一定比例照射得到。彩色電視技術(shù)，正是利用了人眼的這種“簡(jiǎn)并”功能，把實(shí)際生活中的萬(wàn)紫千紅，首先變成三種顏色（即三基色），然后再在電視接收機(jī)上用三基色“復(fù)合”成原來(lái)的顏色。

3 色度圖

既然三基色可以“復(fù)合”出各種顏色，那么，有沒(méi)有什么規(guī)定和規(guī)律呢？有。

第一，三基色波長(zhǎng)有嚴(yán)格規(guī)定。作為三基色的“基色”，本來(lái)可以在一定范圍內(nèi)任意選取。例如，紅色，有很多波長(zhǎng)都是紅色，綠色和藍(lán)色也是如此。但由于目前色度學(xué)的知識(shí)已被廣泛用于各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域之中，為了便于計(jì)算及色彩的還原，CIE已對(duì)三基色的波長(zhǎng)做了嚴(yán)格的規(guī)定，國(guó)際上通用的三基色波長(zhǎng)是：

紅色 —— 700 nm；綠色 —— 546.1 nm；藍(lán)色 ——435.8 nm。

第二，用色度圖表示彩色量的混合比例。用三基色“復(fù)合”出各種顏色，三基色是三個(gè)量，也就是三維坐標(biāo)，比較復(fù)雜，在研究三色混合比例的時(shí)候，CIE又規(guī)定三基色按一定比例相加得到白色E（有很多種光譜分布都是白色，這里指的是可見(jiàn)光范圍內(nèi)能量都相等的白光，叫等能量白光，色度學(xué)中用E表示）。這樣一來(lái)，三個(gè)量就只有兩個(gè)量是獨(dú)立的。因?yàn)椋瑑蓚€(gè)顏色的混合比例定了，第三個(gè)顏色的混合比例可以從白光中減去另兩個(gè)比例得到。這樣混色就變成一個(gè)二維的量，也就是直角坐標(biāo)的形式。由此而產(chǎn)生了色度圖。

圖1就是三基色按不同比例混合得到從380 nm到780 nm可見(jiàn)光的曲線(xiàn)圖，然后把圖中380 nm的坐標(biāo)點(diǎn)和780 nm的坐標(biāo)點(diǎn)連起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)顏色區(qū)域（簡(jiǎn)稱(chēng)色域），這個(gè)圖叫做1931 CIE-r-g 色度圖，簡(jiǎn)稱(chēng)r-g 色度圖。它是CIE在1931年做出的。圖中的縱坐標(biāo)代表綠色光的混合比例，橫坐標(biāo)代表紅色光的混合比例。

圖1中的曲線(xiàn)像“舌頭”，因此叫“舌形曲線(xiàn)”（有的書(shū)上也叫馬蹄形曲線(xiàn)）。

由于這個(gè)舌形曲線(xiàn)應(yīng)用起來(lái)不太方便，CIE經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，變成了目前應(yīng)用最多、最普遍的“標(biāo)準(zhǔn)量彩色系統(tǒng)”。在這個(gè)坐標(biāo)系中，縱坐標(biāo)為小寫(xiě)y，橫坐標(biāo)為小寫(xiě)x，也是CIE在1931年做出的，因此叫1931 CIE-x-y 色度圖，簡(jiǎn)稱(chēng)x-y 色度圖。在標(biāo)準(zhǔn)量彩色系統(tǒng)中，人為地將整個(gè)色度圖放在直角坐標(biāo)的第一象限，如圖2所示。

為了看圖和敘述色度圖功能的方便，我們用黑白色度圖代替彩色色度圖，如圖3所示。圖3的x-y色度圖有如下規(guī)律：

（1）舌形曲線(xiàn)上各點(diǎn)代表從380 nm到780 nm的純光譜色。舌形曲線(xiàn)及其兩個(gè)端點(diǎn)的連線(xiàn)所形成的色域?yàn)橐磺形锢砩纤軐?shí)現(xiàn)的彩色。此色域以外的彩色是不能由真實(shí)光線(xiàn)產(chǎn)生的彩色。

（2）等能量白光E的坐標(biāo)為x = y =1/3。

（3）直線(xiàn)EG代表白光E與光譜色G混合所能得到的一切彩色。從E到G代表色調(diào)相同而飽和度不同的彩色。越接近G點(diǎn)，飽和度越高，G點(diǎn)飽和度為100%。

（4）在直線(xiàn)EG上，G點(diǎn)波長(zhǎng)叫做等色調(diào)波長(zhǎng)或主波長(zhǎng)。

（5）三角形BER內(nèi)的彩色不能由白光和任何一種光譜色混合得出，它們沒(méi)有等色調(diào)波長(zhǎng)。這時(shí)引入所謂補(bǔ)色波長(zhǎng)的概念，例如品紅色K向白光點(diǎn)引直線(xiàn)并延長(zhǎng)，交光譜色軌跡點(diǎn)為M，則M點(diǎn)的波長(zhǎng)就稱(chēng)為彩色K的補(bǔ)色波長(zhǎng)。品紅色K與光譜色M依適當(dāng)比例混合，就可以得到等能量白光E。在幾何學(xué)中，把兩角之和等于180°的角稱(chēng)為互補(bǔ)角，在色度學(xué)中，兩個(gè)互補(bǔ)的顏色都在通過(guò)白色點(diǎn)的一條直線(xiàn)上，而且把這兩種顏色依適當(dāng)比例混合能得到白光，這兩種彩色就稱(chēng)為互補(bǔ)色。我們生活中的彩色照片與膠片（負(fù)片）中的顏色就是互補(bǔ)色。

（6）圖中F1、F2、F和H1、H2、H3等環(huán)狀曲線(xiàn)稱(chēng)為等飽和度線(xiàn)或等飽和度恒值線(xiàn)。在這些曲線(xiàn)上，色調(diào)不同而飽和度相同。越靠近光譜色的曲線(xiàn)，飽和度越高。

4 均勻色度圖

在x-y色度圖上，每一種彩色都有它相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置，可以精確地測(cè)出它的色度坐標(biāo)（x，y）。理論上，彩色是無(wú)限多的，但人眼對(duì)彩色的分辨能力是有限的，而且人眼對(duì)不同彩色具有不同的分辨能力。在色度圖上的每一個(gè)點(diǎn)都可用色度計(jì)精確測(cè)出，但人眼只能看出一個(gè)范圍。人眼感覺(jué)不出彩色變化的范圍叫做彩色的寬容度。實(shí)踐證明，在x-y色度圖上，人眼在不同色域的寬容度不同，而且在同一坐標(biāo)點(diǎn)的不同方向?qū)捜荻纫膊幌嗤鐖D4所示。每個(gè)橢圓（稱(chēng)為麥克亞當(dāng)橢圓）表示其內(nèi)部色彩范圍人眼難以分辨，長(zhǎng)軸方向比短軸方向色彩分辨率更低。

為了表達(dá)人眼對(duì)各種彩色基本相等的寬容度，1960年，CIE制定了1960 CIE-UCS均勻色度圖（可以通過(guò)對(duì)1931 CIE-x-y色度圖坐標(biāo)變換得到），如圖5所示。在均勻色度圖上，彩色的寬容度都近似圓形（圖中的圓放大了10倍），它更適合工程上的色度計(jì)算和檢驗(yàn)，也更符合人眼的視覺(jué)特性。

在均勻色度圖中，縱坐標(biāo)用v表示，橫坐標(biāo)用u表示。這個(gè)色度圖雖然解決了視覺(jué)不均勻的問(wèn)題，但沒(méi)有亮度坐標(biāo)。事實(shí)上，許多顏色問(wèn)題都與物體的亮度有關(guān)，因此，有必要把1960 CIE-UCS 均勻色度圖的二維空間擴(kuò)充到包括亮度因數(shù)在內(nèi)的三維空間。 1964年，CIE 規(guī)定了用“均勻顏色空間”標(biāo)定顏色的方法，即W*、U*、V*，其中W*含有亮度因數(shù)。為了進(jìn)一步統(tǒng)一評(píng)價(jià)顏色差別的方法，1976年，CIE又推薦了兩個(gè)顏色空間及其有關(guān)的色差公式，它們分別是1976 CIE- L*U*V* 顏色空間和1976 CIE- L* a* b*顏色空間。目前，我國(guó)數(shù)字電視顯示器的標(biāo)準(zhǔn)中，在規(guī)范視頻設(shè)備的色度誤差時(shí)，使用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的1976 CIE- U*、V*色度系統(tǒng)。

5 孟塞爾彩色系統(tǒng)

為界定、區(qū)分和標(biāo)定彩色范圍和顏色，國(guó)際上最流行的還有“孟塞爾（Munsell）色卡”和“Pointer真實(shí)表面色”兩個(gè)體系。孟塞爾彩色系統(tǒng)（Munsell Color System）是基于色視覺(jué)特點(diǎn)制定的物體表面色分類(lèi)和標(biāo)定體系。它是一個(gè)三維空間模型，表現(xiàn)物體表面色的明度、色調(diào)和彩度（與亮度、色調(diào)、飽和度對(duì)應(yīng)），如圖6所示。1943年，美國(guó)光學(xué)會(huì)又進(jìn)行了大量光譜、光度測(cè)量，并觀(guān)測(cè)了數(shù)萬(wàn)人的色視覺(jué)，重新編排、增補(bǔ)原孟塞爾圖冊(cè)，制定了“孟塞爾新標(biāo)系統(tǒng)”。修訂后的色樣在編排上更接近視覺(jué)等距，并給出了各色樣的CIE-x-y色度坐標(biāo)（x，y）及亮度因數(shù)。“孟塞爾新標(biāo)系統(tǒng)”目前已被普遍用于紡織品、涂料、醫(yī)藥和化學(xué)制品等非熒光表面色。我國(guó)使用的“標(biāo)準(zhǔn)色卡”也參考了孟塞爾色卡。

如前所述，物體色與照明光源的光譜分布有關(guān)，孟塞爾物體色的照明光源采用的是標(biāo)準(zhǔn)照明光源C光源，它代表相關(guān)色溫為6 774 K的平均日光，光色近似于陰天天空的日光，其坐標(biāo)位于黑體軌跡的下方。

近年來(lái)，寬色域顯示器件和顯示方式有長(zhǎng)足進(jìn)展，以發(fā)光二極管（LED）為背景光源的液晶顯示器、近似光譜色的激光光源的投影顯示器及多元色顯示器等已商品化。色域擴(kuò)展技術(shù)已應(yīng)用在顯示器件中，使我們能看到高清晰度、色彩逼真的彩色畫(huà)面。由此可見(jiàn)色彩在應(yīng)用中的復(fù)雜性。

色度圖有多種，標(biāo)明物體色的方法也有多種方式，但其基礎(chǔ)，都是x-y色度圖及均勻色度圖。因此，掌握應(yīng)用最多、最普遍的x-y色度圖是認(rèn)識(shí)顏色科學(xué)的基礎(chǔ)，也是學(xué)習(xí)更多顏色知識(shí)的階梯。從事舞臺(tái)影視燈光工作的人員，了解了x-y色度圖等顏色的基本知識(shí)，對(duì)認(rèn)識(shí)顏色、提高燈光技術(shù)和能力是很有益的。

［1］國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，TCL多媒體科技控股有限公司GPC研發(fā)中心.數(shù)字電視與平板電視中的色度學(xué).人民郵電出版社，2010

［2］施克孝，于寶富.彩色電視照明原理與布光技巧.北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1988