色彩原理解析
其实我们生活在一个“无色”的世界里
为什么说我们生活在一个“无色”的世界里?
这样的描述很反直觉,因为在大多数人主观的认知里,往往会觉得这个世界充满了各式各样的“色彩”:湛蓝的天空、碧绿的湖水、苍翠欲滴的垂柳、娇艳芬芳的玫瑰、五光十色的海底世界以及千奇百态的热带丛林……一切的一切仿佛都在告诉我们,这个世界是彩色的,在大自然里蕴含着成千上万种绚丽夺目的“色彩”。
那么,这些“色彩”真的是大自然本身蕴含的吗?
如果是的话,为什么说我们生活在“无色”的世界里?
如果不是的话,那么“色彩”又从何而来?
带着这几个问题,我们来一起看看“色彩”是如何产生的。
电磁辐射与可见光
电磁辐射,又称电磁波,是指同相振荡,且互相垂直的电场与磁场,在空间中以波的形式传递能量和动量,其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。
而电磁辐射按照频率分类,从低频率到高频率(或者从长波到短波),主要包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和伽马射线。
由此可知,**可见光其实是电磁辐射波谱里能够被人眼所接收到的一段波谱,**其波长大概在 380nm~780nm 之间。
那么从上述论述来看,是否可以说明“色彩”是由可见光产生的?又或者说可见光就是“色彩”本身?
并不能。
虽然在上图中用“红橙黄绿青蓝紫”的颜色对可见光进行了标示,但实际上这完全是为了将可见光与其他电磁辐射波谱进行区分而做的刻意处理。
因为,实际上电磁辐射本身是没有任何色彩的,或者换句话说:**从物理学上而言,电磁辐射(包含可见光)实际上并没有任何色彩,**也就是前面所说的:我们生活在一个“无色”的世界。
那么,难道我们在日常生活见到的五光十色,仅仅只是一种幻觉吗?
没错,其实“色彩”就是仅仅存在于我们大脑里的一种“幻觉”而已。
视锥细胞
人的眼球中有两种存在于视网膜上的感光细胞,分别称为 **“视杆细胞”和“视锥细胞”,**其中视杆细胞由于对光强度的变化非常敏感,所以主要用于对黑白视觉的感知。
视锥细胞由于对不同波长的可见光敏感度不同,进而被分成了 短波视锥细胞(S)、中波视锥细胞(M)、长波视锥细胞(L) 三种类型,它们感知的三种颜色分别对应了我们经常听到的 蓝色、绿色和红色三种色光三原色。
当一束光进入人眼,会分别刺激这三种视锥细胞,再通过刺激的强弱组合成一个视觉信号传入大脑,并告诉大脑这束光的颜色。
下图表示了三种视锥细胞对不同波长的敏感度,你可以简单理解成 S 视锥细胞决定蓝色感知的强弱,M 视锥细胞和 L 视锥细胞分别决定了绿色和红色感知的强弱。
从以上内容可以得出,其实红绿蓝三种颜色是针对三色系统的人类所对应的色彩模式,也就是所谓的“三色视者”,色盲和一些哺乳动物由于缺失其中的一种视锥细胞而被称为“二色视者”,当然,还有些动物自带更多种视锥细胞,那么它们就能分辨更多种类的颜色了。
总结
从物理学上而言,这世界上并不存在客观意义上的“色彩”,所谓的红色、绿色、蓝色等等颜色都是由于可见光进入眼中,通过刺激视锥细胞解析而成的色彩信号。
这又带来一个值得思考的哲学问题:既然“色彩”是主观的,那么我看到的“红色”,是否就是你看到的“红色”呢?换句话说,我看到的“世界”,是否就是你眼中的那个“世界”?
三原色、色彩三要素与色彩模型
上一章中我们了解到色彩并不是自然界中固有存在的属性,而是光通过眼球中视锥细胞进行解析后传递给大脑的一种色彩信号。
在这一章文章中,我们会基于之前的色彩原理来学习三原色以及色彩模型。
色光三原色和 RGB 色彩模型
由于人眼中的三种视锥细胞分别用来感知光中红色、绿色、蓝色的强度,而所有其他颜色都是按照这三种视锥细胞不同的刺激强度组合形成的,所以结合人眼的生物特性,通过 CIE XYZ 色彩空间的计算和定义,将波长为 700nm 的红色(Red)、波长为 546.1 nm 的绿色(Green)以及波长为 435.8 nm 的蓝色(Blue)作为色光三原色引入色彩体系中。
所以以色光三原色为基础构建的色彩模型就被称为 RGB 色彩模型,同时它属于光的加色模式,因为其他颜色都是由三原色光叠加而形成,当三原色一起叠加的时候,就形成了白色。
当我们在设计或者程序中使用 RGB 色彩模型的色值时,会采用 rgb(0~255, 0~255, 0~255) 的调用方式或者 #FFFFFF 6 个十六进制数字的调用方式,这两种调用方式能够获得 2 的 24 次方也就是大约 1678 万种色彩。
色料三原色和 CMYK 色彩模型
将色光三原色两两混合以后,就形成了另外三种颜色,分别是“黄色(Yellow)、青色(Cyan)、品红(Magenta)”,而这三种颜色正是印刷颜料里的三原色,也称为“色料三原色”。
色光三原色和色料三原色的区别是什么?
简单理解,色光三原色本身就是发光体,由自身发射的光直接进入眼睛产生色彩视觉信号。
而色料三原色本身并不能发光,而是将光中无法吸收的颜色反射入眼睛里,所以它们的色彩反馈机制是不同的。
举个例子。
假设在一个完全黑暗的环境中,有一面黄色的墙面(由于没有光,这面黄色的墙也是不可见的),将一束白光(由红绿蓝混合而成)打到这面墙上。
那么产生的结果是,白光中的蓝光被墙面吸收,而红光和绿光被反射回来,由于红光混合绿光是黄光,所以我们看到这面墙就变成了黄色。
同理可得,品红色实际上是吸收了光里面的绿光并反射了蓝光与红光;青色实际上是吸收了光里的红光并反射了蓝光与绿光。
正由于这三种色料分别都能够吸收一种不同的色光三原色,所以当三种色料混合的时候,将所有的色光三原色都吸收,最后就变成了黑色。
基于这三种色料三原色建立的色彩模型,就称为 CMY 色彩模型。而正因为这种色彩模型里的色彩是通过吸收光里面的色光而形成的(相当于减去光里面的色光),所以又称为减色模式。
不过,虽然从理论上而言色料三原色完全混合会形成纯黑色,但实际结果是混合后并非纯黑,所以为了获得更为纯正的黑色并且降低印刷成本,所以在印刷中加入了新的一种颜色黑色(blacK),由于 B 字母已经被 Blue 占用了,所以取末尾 K 作为黑色的缩写,最后形成了我们通常见到的 CMYK 色彩模型。
当我们在设计或者程序中使用 CMYK 色彩模型的色值时,会采用每个色值 0%~100% 油墨量来表示。
伊登 12 色环
有些学过美术理论的朋友可能会说:不对啊,以前学色彩的时候,明明“红黄蓝”才是色料三原色啊,为什么到你这里就成黄色、青色、品红了呢?
其实“红黄蓝”作为色料三原色的历史可以追溯到牛顿之后的沃尔夫冈·冯·歌德(Wolfgang von Goethe),当时歌德基于牛顿的色彩理论创造了有史以来最有名的色环,而在这个色环里,歌德将洋红色、蓝色、黄色定义为色料三原色。
而近代著名的色彩学大师美国籍教师伊登在经过各种研究以后提出了著名理论“伊登十二色环”,在这个色环理论中,以红色、黄色、蓝色作为三原色进行色彩研究,并且对后面的色彩理论尤其是美术领域的色彩理论造成了很大影响。
实际上,通过我们上述的理论分析能够证明,伊登十二色环里的三原色取值是有问题的,这也可能受限于当时的印刷技术,没能获取更为纯的品红和青色而导致的结果。
基于 CMY 的色彩模型,其实可以将伊登十二色环加以改进,我们称之为 “CMY 十二色环”。
色彩三要素与 HSB 色彩模型
还是以色光三原色为基础,两两混合后获得了 6 种颜色。
再用这 6 种颜色相邻混合获得了共 24 种颜色。
基于这基础的 24 种颜色,就获得了我们经常会用到的色相环,色相区间为 0°~360°。
这色相环就是色彩三要素“色相、饱和度、明度”里的色相(Hue),也就是 HSB 色彩模型里的 H。
而饱和度(Saturation)是指一个颜色的鲜艳程度,最低为灰色,最高为该颜色本身。在使用中我们以 0%~100% 的饱和度来表示。
明度(Brightness)是指一个颜色的明亮程度,最低为黑色,最高为该颜色本身。在使用中我们以 0%~100% 的明度来表示。
而基于这三个维度,形成了我们常见的 HSB 色彩模型,通常用一个倒锥形表示。
顺带提一下,除了 HSB 色彩模型之外,大家应该还听过另外一个类似的色彩模型也就是 HSL 色彩模型,这里的 HSL 分别是指色相(Hue)、饱和度(Saturation)以及亮度(Lightness/Luminance)。
前两者跟 HSB 都是一致的,只有最后一项 Lightness 的跨度是从白色到黑色(不管任何色相),所以它的色彩模型会有所不同。
总结
通过三种不同的色彩模型,能够让我们更了解色彩之间的关系,并且采用最合适的色彩模型来进行日常设计工作。