1.1 物体的颜色

1.1.1 光与颜色

对于“苹果”和“皮鞋”等这样的物体颜色，是物体反射的照明光进入眼睛后的视觉效果，也就是说是反射光的视觉特征。因此，物体的颜色实质上是反射光的颜色特征，光与颜色的关系就成为一个首先需要认识的问题。

在物理学范畴，光被描述为具有“波粒二象性”。

从波动性这一角度来说，光的本质即为电磁波，具有振幅、波长，以及频率等属性。不同的光具有不同的波动属性。在真空中，只有波长在380～780nm范围内的电磁波才能对人的眼睛产生刺激，且对不同波长的光波，人眼感觉为不同的颜色。从长波端的红色，经橙、黄、绿，再到青、蓝和短波端的紫，我们称之为可见光谱，也简单地称为光。图1-1所示，给出了能够引起人眼刺激的不同波长的电磁波，在人眼看来具有不同的颜色。

在可见光波长范围内，人眼对相邻波长等间隔波长差的光波的颜色差异感觉是不同的，人眼对490nm的青绿色光和590nm的橙黄色光比较敏感，1～2nm的改变便有不同的颜色感觉。人眼对可见光范围的两端的颜色相对不敏感。此外，同一波长的色光，当光强变化时，眼睛通常感觉其颜色也随之改变，只有572nm的黄、503nm的绿和478nm的蓝三个色光的颜色较为恒定。在正常照明条件下，人眼能够分辨光谱中大约150种颜色，以及光谱外的品红色30余种，共约180种。

特别强调的是，与波长、频率等波动属性不同，颜色不是光的本征属性，是需要借助外界因素（如人的眼睛）而体现出来的特征。动物的颜色视觉与人类不一定相同，如猫、狗等根本没有颜色感觉，这不在我们关注之列。

因此，只限于我们人类的视觉可以认为，不同（波长）的光具有不同的颜色，光的波长与颜色具有一对一的对应关系。

既然光的颜色感觉直接与光之外的因素相关，这就难免出现这样的问题：在其他外界因素下，如数字相机、扫描仪等仪器设备，又是如何“感知”光波的呢？可以肯定的是，它们与人眼的感知过程和性质是不同的，我们必须有针对性地给予考虑和进行技术处理。比如在摄影和印刷业，通常只关心可见光，但有时也应注意刚刚超出可见光范围的那一部分光谱成分。

比可见光长波端稍长的部分为红外波段，也称红外线（IR），常给数字相机制造麻烦，因为数字相机中感光的CCD（charge-coupled-device，电荷耦合器件）对红外线非常敏感，本希望模拟人眼的感光过程，却感应了人眼不能感知的红外线。因此，大多数数字相机都会在CCD芯片或镜头前安装IR滤色片，以消除入射光波中的红外线。

在可见光谱的另一端，即短波端，刚刚超出的部分为紫外线（UV）区域，有时这部分“光线”也需引起关注。例如，在纸张和油墨中，常添加UV增白剂来增强纸张的白度和提高油墨的光亮度。其作用机理是UV增白剂吸收紫外线，而将其能量转换为蓝色区域的光辐射出来。

1.1.2 光源的光谱特性和颜色

所谓光源，即以可见光为主要成分的物理辐射体。

光源的种类很多，一般将其分为两大类：自然光源和人造光源。自然光源和人造光源大多是复色光，通常其中各单色光的能量比例是不同的，即复色光的辐射能量随波长而变化。将这种辐射能量随波长变化的函数关系称为光源的光谱功率（能量）分布。图1-2为几种典型的光谱功率分布。

图1-2（a）称为线状光谱，它由若干条明显分隔的细线组成，如低压钠灯发出的光线就是由波长为589.0nm和589.6nm的两条黄色光线构成的。图1-2（b）称为带状光谱，由一些分开的谱带构成，每个谱带又包含许多紧靠的谱线，如碳弧和高压汞灯就属于这种分布。图1-2（c）称为连续光谱，它包含一定范围内所有波长的辐射谱线，且能量随波长平滑变化。所有热辐射光源都属于这种情况，如日光和白炽灯光等，这是光源中常见的一种分布。图1-2（d）称为混合光谱，是前述光谱的组合，日常生活中常用的荧光灯就属于这种分布。

光源所发光中，各种波长和强度的单一光谱都对人眼形成一定的颜色视觉，而所有这些各自的颜色视觉综合在一起（当然人眼的视觉神经及大脑具有这种综合功能），便是这个光源给人的颜色感觉，即光源光的颜色。

不同的光源之所以看上去颜色不同，如白炽灯看上去比荧光灯偏红，其根本原因就在于它们的光谱功率分布不同。反过来可以讲，光源的光谱功率分布决定了它的颜色。

在人眼视觉感知的前提下，研究光源的颜色问题就成为研究其光谱功率分布的问题。

但在色度学研究中，主要关心的是光谱功率分布的相对值而不是绝对值。通常用相对光谱功率分布（简称相对能量）表示光源的光谱能量与波长间的关系。

图1-3为常见光源的光谱能量分布曲线。白炽灯在长波的红色段相对辐射能量高，因而看上去颜色偏红；而荧光灯在蓝、绿色波段相对辐射能量较高，红色波段的相对辐射能量较低，因而看上去呈蓝白；日光光谱则相对比较均衡，在可见光范围内能量起伏不大。

日光的光谱没有人造光源稳定，不同气候下、不同时间，它的相对光谱功率分布曲线的形状是不同的，如图1-4所示。这就是为什么早晚看到的是红霞，正午看到的是通常所说的白光。

由于无光就无色，又由于一般的物体本身并不发光，所以，光源的光不仅形成自身的颜色，而且也是不发光的透射和反射物体透射或反射光的源泉。照明光源中没有的光谱，物体透射或反射的光中就一定缺失这种光谱及其颜色成分。因此，光源的光谱能量特性对其他物体颜色的形成也具有重要的作用。

在色彩管理技术中，光源（光谱能量分布）的选择成为确定颜色的首要问题。

1.1.3 物体的光谱特性和颜色的形成

从上两节内容已经知道，颜色的形成是光线对人眼（和大脑）作用的结果，无光就无色。本身不发光的物体的颜色也必定是在光的参与下由光所形成的，事实上是物体透射或反射的光所形成的。透明物体透射光的颜色即是透明物体的颜色，不透明物体反射光的颜色即是不透明物体的颜色。

从物理现象看，当光照到物体表面后将会发生四种主要的作用：光在物体的第一表面的镜面反射，也称规则反射（产生光泽）；光在物体材料内部的散射，产生漫反射和漫透射；光在物体材料内部的被吸收；光直接透过物体的规则透射（产生物体的透明度）。不同的物体与光线的这四种作用程度不同。例如，金属表面主要产生镜面反射光，有明显的反射光谱选择性，因而看上去该金属表面具有一定的颜色。如金和银，看上去具有不同的颜色，又都有很强的镜面反射光，习惯上称其为金属光泽。不透明的非金属表面则主要产生漫反射光，且具有自己的选择吸收性，表现为反射光中只有入射照明光中的某些波长成分，看起来具有与入射光不同的颜色。如红色的衣服，是因为衣服材料主要反射了照明光中的长波段光谱；黄色的桌面，是因为桌子表面材料吸收了照明光中的蓝光成分，剩余的反射光综合感觉为黄色。

因此，除了照射光的特性（光谱能量分布）外，物体本身的光谱吸收、反射、透射特性也是其形成颜色的一个重要因素。

对于物体表面对光的反射，只有镜面反射和完全漫反射（各个反射方向具有相同的辐亮度，称为朗伯表面）的极端情况是极少的，绝大多数情况界于两者之间，其反射光强如图1-5所示。

在颜色定量研究技术中，常关心光反射的两个概念：

1．光谱反射比（spectral reflectance）ρ（λ）

在波长为λ的光照射下，物体反射的光通量φp（λ）与入射的光通量φi（λ）之比。公式表示为：

2．光谱反射因数（spectral reflectance factor）β（λ）

在规定的照明条件下，在规定方向的立体角内，从物体反射的波长为λ的光谱辐通量φS（λ），与在相同条件下，从完全漫反射体反射的波长为λ的光谱辐通量φn（λ）之比。公式表示为：

在给定的立体角ω接近2π时，测得的光谱反射因数β（λ）即为光谱反射比ρ（λ）。

国际照明委员会（CIE）推荐用完全漫反射体作为测量光谱反射因数的标准。实际中不存在理想的完全漫反射材料，但能找到近似的材料，如烟熏氧化镁、硫酸钡喷涂或压粉。它们具有高的光谱反射比，接近完全漫反射体的特性，常用来作为工作标准。

图1-6给出了常作为工作标准白板材料的光谱反射比曲线，为相对于氧化镁的测量结果。

有了工作标准的光谱反射特性曲线，可以测量计算出物体的光谱反射特性，可用于一定光照下物体颜色数值的计算。

颜色复制中，肤色的准确再现非常重要。因而，人类皮肤的光谱反射特性的测定和研究对现代彩色电视、彩色摄影、印刷、照明等行业的颜色再现具有非常重要的意义。光源开发、广播电视、电影等部门，以及彩色摄影材料和设备的生产厂家都测定了大量各种人种的肤色，定出了标准的肤色反射特性曲线，作为上述各行业检验颜色再现质量的标准。

图1-7为三种肤色的平均光谱反射比曲线。其中，浅色人种的肤色白，对光的反射比高；深色人种的肤色对光的反射比较低；棕色人种的肤色则反射比介于两者之间。但肤色对光反射的共同特点是：在短波范围内反射比均比较低，随着波长的增大反射比逐步升高，在波长550～600nm范围内均有一个陡升。

有些材料在不同的方向上具有不同光谱反射因数，如图1-8所示。在照明光不变的情况下，从不同的角度看物体会有不同的颜色。

还有一种材料为荧光材料。它与上述材料不同，除了反射、吸收、散射和透射外，它还能将吸收的一定波长的光，转化为其他波长的光向各个方向发射出去。荧光增白剂（FWAs）吸收波长在300～400nm的紫外辐射，然后以400～500nm内以可见光的形式发射出去，如图1-9所示。这样的白纸看上去会比光源的光色偏蓝。在颜色测量技术中，针对这种加有荧光增白剂的情况，需要给予特别的技术处理。

对于透射材料也定义有类似的光谱透射特性量，反映的是物体的光谱透射特性，也是其在光照下颜色形成的重要决定因素。

从物理成因的角度看（非发光）物体的颜色，可以概括为：颜色不是物体的固有属性，但物体的光谱反射和光谱透射特性是由其自身性能决定的，是其本征属性。同一光源下，不同的物体呈现不同颜色的原因是它们的光谱反射或光谱透射特性不同。

物体颜色研究和测量的落脚点落在了物体光谱特性的研究和测量上。

需要说明的是，至此所讨论的光源颜色、物体颜色的成因和形成，具有一个默认的前提，即光源发出的光和物体透射、反射的光是在人眼的感知下形成的。