首页 > design > photograph > > 正文

水煮RGB与CMYK &&色彩的物理理论

发布人:zhoulujun@live.cn    点击:

我们生活在一个多彩的世界里。白天,在阳光的照耀下,各种色彩争奇斗艳,并随着照射光的改变而变化无穷。但是,每当黄昏,大地上的景物,无论多么鲜艳,都将被夜幕缓缓吞没。在漆黑的

 十七世纪末期,牛顿证明了色彩并非存在于物体本身,而是光作用的结果,且只要将可视光谱上的长短光波结合起来即可形成白光。这些可视光的波长可对应到七个不同的颜色:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。 

3.jpg

光 在 RGB 系统中,设计师也可以透过混合三原色的方式做出一个光谱。混合任两个原色,就会产生三个次原色:青、洋红、黄。如前面所说的,将光的三原色加在一起就可以做出白光。所以,如果一个 RGB 的值为 255,255,255 则表示为白色。如果完全拿掉这三原色的光 (RGB: 0,0,0) 则产生黑色。如果你减少了红光,那么多余的绿色波和蓝色波就会产生青色。用来除去红光、反射绿、蓝光的颜料就会显示青色。相同的,平面印刷设计师会使用洋红来吸收掉一部份的绿光,以及使用黄光来吸收掉一部份的蓝光。 

2.jpg 

这样一来,我们很明显的可以知道 CYMK 模式中所使用的三原色就是 RGB 模式中的次颜色,反之亦同。再者,如果将红、绿、蓝光混合在一起形成白光,那么就表示将青、洋红、黄三色的颜料混合在一起就会产生黑色,因为三原色的光波都将被颜料所吸收了。然而受限于颜料和印刷系统的因素,混合青、洋红、黄并无法完全吸收掉所有的光波。因此实际上还必须加上一个黑色才能完成,所以就产生了 CMYK 里面的 K 元素了。 

 
色彩的物理理论
 
第一节 光源
一、 色与光的关系
  我们生活在一个多彩的世界里。白天,在阳光的照耀下,各种色彩争奇斗艳,并随着照射光的改变而变化无穷。但是,每当黄昏,大地上的景物,无论多么鲜艳,都将被夜幕缓缓吞没。在漆黑的夜晚,我们不但看不见物体的颜色,甚至连物体的外形也分辨不清。同样,在暗室里,我们什么色彩也感觉不到。这些事实告诉我们:没有光就没有色,光是人们感知色彩的必要条件,色来源于光。所以说:光是色的源泉,色是光的表现。 
为了了解色彩产生的原因,首先必须对光作进一步的了解。
 
二、光的本质
  人们对光的本质的认识,最早可以追溯到十七世纪。从牛顿的微粒说到惠更斯的弹性波动说,从麦克斯韦的电磁理论,到爱因斯坦的光量子学说,以至现代的波粒二象性理论。 
  光按其传播方式和具有反射、干涉、衍射和偏振等性质来看,有波的特征;但许多现象又表明它是有能量的光量子组成的,如放射、吸收等。在这两点的基础上,发展了现代的波粒二象性理论。
  光的物理性质由它的波长和能量来决定。波长决定了光的颜色,能量决定了光的强度。光映射到我们的眼睛时,波长不同决定了光的色相不同。波长相同能量不同,则决定了色彩明暗的不同。
  在电磁波辐射范围内,只有波长380nm到780nm(1nm=10-6mm)的辐射能引起人们的视感觉,这段光波叫做可见光。如图2-1所示。在这段可见光谱内,不同波长的辐射引起人们的不同色彩感觉。英国科学家牛顿在1666年发现,把太阳光经过三棱镜折射,然后投射到白色屏幕上,会显出一条象彩虹一样美丽的色光带谱,从红开始,依次接临的是橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。如图2-2所示。这是因为日光中包含有不同波长的辐射能,在它们分别刺激我们的眼睛时,会产生不同的色光,而它们混合在一起并同时刺激我们的眼睛时,则是白光,我们感觉不出它们各自的颜色。但是,当白光经过三棱镜时,由于不同波长的折射系数不同,折射后投影在屏上的位置也不同,所以一束白光通过三棱镜便分解为上述七种不同的颜色,这种现象称为色散。从图2-2中可以看到红色的折射率最小,紫色最大。这条依次排列的彩色光带称为光谱。这种被分解过的色光,即使再一次通过三棱镜也不会再分解为其它的色光。我们把光谱中不能再分解的色光叫做单色光。由单色光混合而成的光叫做复色光,自然界的太阳光,白炽灯和日光灯发出的光都是复色光。色散所产生的各种色光的波长如表2-1所示。
 
图 2-1电磁波及可见光波长范围 图 2-2色散现象
光色 波长λ(nm) 代表波长
红(Red) 780~630 700
橙(Orange) 630~600 620
黄(Yellow) 600~570 580
绿(Green) 570~500 550
青(Cyan) 500~470 500
蓝(Blue) 470~420 470
紫(Violet) 420~380 420
 
表2-1
三、相对光谱能量分布
  一般的光源是不同波长的色光混合而成的复色光,如果将它的光谱中每种色光的强度用传感器测量出来,就可以获得不同波长色光的辐射能的数值。图2-3就是一种用来测量各波长色光的辐射能仪器的简要原理图,这种仪器称为分光辐射度计。
 
图 2-3 分光辐射度计原理图
  图2-3表明,光源经过左边的隙缝和透镜变成平行光束,投向棱镜的入射平面,当入射光通过棱镜时,由于折射,使不同波长的色光,以不同的角度弯折,从棱镜的入射平面射出。任何一种分解后的光谱色光在离开棱镜时,仍保持为一束平行光,再由右边的透镜聚光,通过隙缝射在光电接收器上转换为电能。如果右边的隙缝是可以移动的,就可以把光谱中任意一种谱色挑选出来,所以,在光电接收器上记录的是光谱中各种不同波长色光的辐射能。若以φe表示光的辐射能,λ表示光谱色的波长,则定义:在以波长λ为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比称为光谱密度。写成数学形式:
  φe(λ)=dφe∕dλ (W/nm)
  光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。通常光源中不同波长色光的辐射能是随波长的变化而变化的,因此,光谱密度是波长的函数。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。
  在实用上更多的是以光谱密度的相对值与波长之间的函数关系来描述光谱分布,称为相对光谱能量(功率)分布,记为S(λ)。相对光谱能量分布可用任意值来表示,但通常是取波长λ=555nm处的辐射能量为100,作为参考点,与之进行比较而得出的。若以光谱波长λ为横坐标,相对光谱能量分布S(λ)为纵坐标,就可以绘制出光源相对光谱能量分布曲线。
  知道了光源的相对光谱能量分布,就知道了光源的颜色特性。反过来说,光源的颜色特性,取决于在发出的光线中,不同波长上的相对能量比例,而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱,不会引起光源颜色的变化。从图2-4中可以看到:正午的日光有较高的辐射能,它除在蓝紫色波段能量较低外,在其余波段能量分布均较均匀,基本上是无色或白色的。荧光灯光源在405nm、430nm、540nm和580nm出现四个线状带谱,峰值在615nm,而后在长波段(深红)处能量下降,这表明荧光光源在绿色波段(550nm~560nm)有较高的辐射能,而在红色波段(650nm~700nm)辐射能减弱。对比之下,白炽灯光源,它在短波蓝色波段,辐射能比荧光光源低,而在长波红色区间,有相对高的能量。因此,白炽灯光源,总带有黄红色。红宝石激光器发出的光,其能量完全集中在一个很窄的波段内,大约为694nm,看起来是典型的深红色。在颜色测量计算中,为了使其测量结果标准化,就要采用CIE标准光源(如A、B、C、D65等)。CIE标准光源将在以后介绍。
 
图 2-4
  根据对图2-4各曲线的分析表明,没有一种实际光源的能量分布是完全均匀一致的,也没有一种完全的白光;然而,尽管这些光源(自然光或人造光)在光谱分布上有很大的不同,在视觉上也有差别,但由于人眼有很大的适应性,因此,习惯上这些光都称为"白光"。但是在色彩的定量研究中,1931年国际照明委员会(缩写CIE)建议,以等能量光谱作为白光的定义,等能白光的意义是:以辐射能作纵坐标,光谱波长为横坐标,则它的光谱能量分布曲线是一条平行横轴的直线。即:S(λ)=C(常数)。等能白光分解后得到的光谱称为等能光谱,每一波长为λ的等能光谱色色光的能量均相等。 
 
四、光源色温
  能自行发光的物体叫做光源。光源的种类繁多,形状千差万别,但大体上可分为自然光源和人造光源。自然光源受自然气候条件的限制,光色瞬息万变,不易稳定,如最大的自然光源太阳。人造光源有各种电光源和热辐射光源,如电灯光源等。
  不同的光源,由于发光物质不同,其光谱能量分布也不相同。一定的光谱能量分布表现为一定的光色,对光源的光色变化,我们用色温来描述。
  根据能量守恒定律:物体吸收的能量越多,加热时它辐射的本领愈大。黑色物体对光能具有较大的吸收能力。如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射,那么这个物体称为绝对黑体。绝对黑体的吸收本领是一切物体中最大的,加热时它辐射本领也最大。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。人造黑体是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器,如图2-5所示,进入小孔的光,将在空腔内发生多次反射,每次反射都被容器的内表面吸收一部分能量,直到全部能量被吸收为止,这种容器的小孔就是绝对黑体。
 
图 2-5绝对黑体示意图
  黑体辐射的发射本领只与温度有关。严格地说,一个黑体若被加热,其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较,来描述光源的光色。所以色温可以定义为:"当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。"因此,色温是以温度的数值来表示光源颜色的特征。在人工光源中,只有白炽灯灯丝通电加热与黑体加热的情况相似。对白炽灯以外的其它人工光源的光色,其色度不一定准确地与黑体加热时的色度相同。所以只能用光源的色度与最相接近的黑体的色度的色温来确定光源的色温,这样确定的色温叫相对色温。
  色温用绝对温度"K"表示,绝对温度等于摄氏温度加273。如正午的日光具有色温为6500K,就是说黑体加热到6500K时发出的光的颜色与正午的颜色相同。其它如白炽灯色温约为2600K。表2-2列出了一些常见的光源色温。
  色温是光源的重要指标,一定的色光具有一定的相对能量分布:当黑体连续加热,温度不断升高时,其相对光谱能量分布的峰值部位将向短波方向变化,所发的光带有一定的颜色,其变化顺序是红-黄-白-蓝。
表2-2 常见光源色温
光源 色温(K)
晴天室外光 13000
全阴天室外光 6500
白天直射日光 5550
45°斜射日光 4800
昼光色、荧光灯 6500
氙灯 5600
炭精灯 5500~6500
五、光源显色性
  人类在长期的生产生活实践中,习惯于在日光下辨认颜色。尽管日光的色温和光谱能量分布随着自然条件的变化有很大的差异,但人眼的辨认能力依然是准确的。这是人们在自然光下长期实践对颜色形成了记忆的结果。
  随着照明技术的发展,许多新光源的开发利用,人们经常在不同的环境下辨认颜色。有些灯光的颜色与日光很相似如荧光灯、汞灯等,但其光谱能量分布与日光却有很大的差别。这些光谱中缺少某些波长的单色光成份。人们在这些光源下观察到的颜色与日光下看到的颜色是不同的,这就涉及到光源的显色性问题。
  什么是光源的显色性?由于同一个颜色样品在不同的光源下可能使人眼产生不同的色彩感觉,而在日光下物体显现的颜色是最准确的。因此,可以用日光标准(参照光源),将白炽灯、荧光灯、钠灯等人工光源(待测光源)与其比较,显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。我国国家标准"光源显色性评价方法GB5702-85"中规定用普朗克辐射体(色温低于5000K)和组合日光(色温高于5000K)做参照光源。为了检验物体在待测光源下所显现的颜色与在参照光源下所显现的颜色相符的程度,采用"一般显色性指数"作为定量评价指标。显色性指数最高为100。显色性指数的高低,就表示物体在待测光源下"变色"和"失真"的程度。例如,在日光下观察一副画,然后拿到高压汞灯下观察,就会发现,某些颜色已变了色。如粉色变成了紫色,蓝色变成了蓝紫色。因此,在高压汞灯下,物体失去了"真实"颜色,如果在黄色光的低压钠灯底下来观察,则蓝色会变成黑色,颜色失真更厉害,显色指数更低。光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。日光、白炽灯具有连续光谱,连续光谱的光源均有较好的显色性。
  通过对新光源的研究发现,除连续光谱的光源具有较好的显色性外,由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。如450nm的蓝光,540nm的绿光,610nm的桔红光以适当比例混合所产生的白光,虽然为高度不连续光谱,但却具有良好的显色性。用这样的白光去照明各色物体,都能得到很好的显色效果。 
光源的显色性以一般显色性指数Ra值区分:
  Ra值为100~75 显色优良
  75~50 显色一般
  50以下 显色性差
  光源显色性和色温是光源的两个重要的颜色指标。色温是衡量光源色的指标,而显色性是衡量光源视觉质量的指标。假若光源色处于人们所习惯的色温范围内,则显色性应是光源质量的更为重要的指标。这是因为显色性直接影响着人们所观察到的物体的颜色。
六、光源三刺激值
在定量研究中我们发现,某种光源所发出的光,可以通过红、绿、蓝三种单色光按不同比例混合匹配产生。这种用来匹配某一特定光源所需要的红、绿、蓝三原色的量叫做该光源三刺激值。光源的红、绿、蓝三刺激值分别用X0、Y0、Z0来表示。关于三刺激值的相关内容,可参看第五章。
 
七、标准光源
  我们知道,照明光源对物体的颜色影响很大。不同的光源,有着各自的光谱能量分布及颜色,在它们的照射下物体表面呈现的颜色也随之变化。为了统一对颜色的认识,首先必须要规定标准的照明光源。因为光源的颜色与光源的色温密切相关,所以CIE规定了四种标准照明体的色温标准:
  标准照明体A:代表完全辐射体在2856K发出的光(X0=109.87,Y0=100.00,Z0=35.59);
  标准照明体B:代表相关色温约为4874K的直射阳光(X0=99.09,Y0=100.00,Z0=85.32);
  标准照明体C:代表相关色温大约为6774K的平均日光,光色近似阴天天空的日光(X0=98.07,Y0=100.00,Z0=118.18);
  标准照明体D65:代表相关色温大约为6504K的日光(X0=95.05,Y0=100.00,Z0=108.91);
  标准照明体D:代表标准照明体D65以外的其它日光。
  CIE规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布,是规定的光源颜色标准。它并不是必须由一个光源直接提供,也并不一定用某一光源来实现。为了实现CIE规定的标准照明体的要求,还必须规定标准光源,以具体实现标准照明体所要求的光谱能量分布。CIE推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定:
  标准光源A:色温为2856K的充气螺旋钨丝灯,其光色偏黄。
  标准光源B:色温为4874K,由A光源加罩B型D-G液体滤光器组成。光色相当于中午日光。
  标准光源C:色温为6774K,由A光源加罩C型D-G液体滤光器组成,光色相当于有云的天空光。
  CIE标准光源A、B、C的相对光谱能量分布曲线如图2-6所示。
 
图2-6 标准光源相对光谱能量分布
  CIE标准照明体A、B、C由标准光源A、B、C实现,但对于模拟典型日光的标准照明体D65,目前CIE还没有推荐相应的标准光源。因为它的光谱能量分布在目前还不能由真实的光源准确地实现。当前国际上正在进行着与标准照明体D65相对应的标准光源的研制工作。
  现在研制的三种模拟D65人造光源分别为:带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。它们的相对光谱能量分布与D65有所符合,带滤光器的高压氙弧灯提供了最好的模拟,带滤光器的白炽灯在紫外区的模拟尚不太理想,荧光灯的模拟较差。为了满足精细辨色生产活动的需要,还有采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混光光源,称为D75光源。其色温可达7500K。主要运用在原棉评级等精细辨色工作中。
 
第二节: 色彩的混合  
 
一 色光加色法
  (一)、色光三原色的确定
  三原色的本质是三原色具有独立性,三原色中任何一色都不能用其余两种色彩合成。另外,三原色具有最大的混合色域,其它色彩可由三原色按一定的比例混合出来,并且混合后得到的颜色数目最多。
  在色彩感觉形成的过程中,光源色与光源、眼睛和大脑三个要素有关,因此对于色光三原色的选择,涉及到光源的波长及能量﹑人眼的光谱响应区间等因素。
从能量的观点来看,色光混合是亮度的叠加,混合后的色光必然要亮于混合前的各个色光,只有明亮度低的色光作为原色才能混合出数目比较多的色彩,否则,用明亮度高的色光作为原色,其相加则更亮,这样就永远不能混合出那些明亮度低的色光。同时,三原色应具有独立性,三原色不能集中在可见光光谱的某一段区域内,否则,不仅不能混合出其它区域的色光,而且所选的原色也可能由其它两色混合得到,失去其独立性,而不是真正的原色。
  在白光的色散试验中,我们可以观察到红、绿、蓝三色比较均匀地分布在整个可见光谱上,而且占据较宽的区域。如果适当地转动三棱镜,使光谱有宽变窄,就会发现:其中色光所占据的区域有所改变。在变窄的光谱上,红(R)、绿(G)、蓝(B)三色
光的颜色最显著,其余色光颜色逐渐减退,有的差不多已消失。得到的这三种色光的波长范围分别为:R(600~700nm),G(500~570nm),B(400~470nm)。在色彩学中,一般将整个可见光谱分成蓝光区,绿光区和红光区进行研究。
  当用红光、绿光、蓝光三色光进行混合时,可分别得到黄光、青光和品红光。品红光是光谱上没有的,我们称之为谱外色。如果我们将此三色光等比例混合,可得到白光;而将此三色光以不同比例混合,就可得到多种不同色光。 
  从人的视觉生理特性来看,人眼的视网膜上有三种感色视锥细胞--感红细胞、感绿细胞、感蓝细胞,这三种细胞分别对红光、绿光、蓝光敏感。当其中一种感色细胞受到较强的刺激,就会引起该感色细胞的兴奋,则产生该色彩的感觉。人眼的三种感色细胞,具有合色的能力。当一复色光刺激人眼时,人眼感色细胞可将其分解为红、绿、蓝三种单色光,然后混合成一种颜色。正是由于这种合色能力,我们才能识别除红、绿、蓝三色之外的更大范围的颜色。 
  综上所述,我们可以确定:色光中存在三种最基本的色光,它们的颜色分别为红色、绿色和蓝色。这三种色光既是白光分解后得到的主要色光,又是混合色光的主要成分,并且能与人眼视网膜细胞的光谱响应区间相匹配,符合人眼的视觉生理效应。这三种色光以不同比例混合,几乎可以得到自然界中的一切色光,混合色域最大;而且这三种色光具有独立性,其中一种原色不能由另外的原色光混合而成,由此,我们称红、绿、蓝为色光三原色。为了统一认识,1931年国际照明委员会(CIE)规定了三原色的波长λR=700.0nm,λG=546.1nm,λB=435.8nm。在色彩学研究中,为了便于定性分析,常将白光看成是由红、绿、蓝三原色等量相加而合成的。
  (二)色光加色法
  由两种或两种以上的色光相混合时,会同时或者在极短的时间内连续刺激人的视觉器官,使人产生一种新的色彩感觉。我们称这种色光混合为加色混合。这种由两种以上色光相混合,呈现另一种色光的方法,称为色光加色法。
  国际照明委员会(CIE)进行颜色匹配试验表明:当红、绿、蓝三原色的亮度比例为1.0000:4.5907:0.0601时,就能匹配出中性色的等能白光,尽管这时三原色的亮度值并不相等,但CIE却把每一原色的亮度值作为一个单位看待,所以色光加色法中红、绿、蓝三原色光等比例混合得到白光。其表达式为(R)+(G)+(B)=(W)。红光和绿光等比例混合得到黄光,即(R)+(G)=(Y);红光和蓝光等比例混合得到品红光,即(R)+(B)=(M);绿光和蓝光等比例混合得到青光,即(B)+(G)=(C),如图2-7所示。如果不等比例混合,则会得到更加丰富的混合效果,如:黄绿、蓝紫、青蓝等。
 
图2-7加色混色图
  从色光混合的能量角度分析,色光加色法的混色方程为:
 
式中:C为混合色光总量;(R)、(G)、(B)为三原色的单位量;a、b、g为三原色分量系数。此混色方程十分明确地表达了复色光中的三原色成分。
  从人眼对色光物理刺激的生理反应角度分析,色光加色混合的数学形式为:
 
式中:C 为混合色觉;为光谱三刺激值 。
  自然界和现实生活中,存在很多色光混合加色现象。例如太阳初升或将落时,一部分色光被较厚的大气层反射到太空中,一部分色光穿透大气层到地面,由于云层厚度及位置不同,人们有时可以看到透射的色光,有时可以看到部分透射和反射的混合色光,使天空出现了丰富的色彩变化。
  (三)加色法实质
  加色法是色光与色光混合生成新色光的呈色方法。参加混合的每一种色光都具有一定的能量,这些具有不同能量的色光混合时,可以导致混合色光能量的变化。
  色光直接混合时产生新色光的能量是参加混合的各色光的能量之和。如图2-8所示,照射面积相同的两种色光--红光与绿光混合,混合后的面积依然与混合前单色光的面积相同,但光的能量却增大了,所以导致了混合后色光亮度的增加。
 
  (四)加色混合种类
  色光混合的实现方法主要分为两类:一类是视觉器官外的混合,另一类是视觉器官内的混合。
  1、视觉器官外的加色混合
  视觉器官外的加色混合是指色光在进入人眼之前就已经混合成新的色光。色光的直接匹配就是视觉器官外的加色混合。光谱上各种单色光形成白光,是最典型的视觉器官外的加色混合这种加色混合的特点是:在进入人眼之前各色光的能量就已经叠加在一起,混合色光中的各原色光对人眼的刺激是同时开始的,是色光的同时混合。
  2、视觉器官内的加色混合
  视觉器官内的加色混合是指参加混合的各单色光,分别刺激人眼的三种感色细胞,使人产生新的综合色彩感觉,它包括静态混合与动态混合。 
  (1)静态混合
  静态混合是指各种颜色处于静态时,反射的色光同时刺激人眼而产生的混合,如细小色点的并列与各单色细线的纵横交错,所形成的颜色混合,均属静态混合,各色反射光是同时刺激人眼的,也是色光的同时混合。细小色点并列的加色混合如图2-9 a及彩图2-9 b所示。
  由于视锐度所限,人们不能将相隔太近,且面积又很小的色点或色线分辨开来,而将它们视为一种混合色。图2-9a是黄色点与青色点并列时的放大图,黄色与青色的反射光同时刺激人眼的感色细胞,使人产生的色彩感觉既不是单纯的黄色,也不是单纯的青色,而是青色与黄色的混合色--绿色,这是由于色点相距太近,人眼的感色细胞无法区分开,从而产生了综合色觉。
 
图2-9 a色光的静态混合 彩图2-9 b 空混构成
  (2)动态混合
  动态混合是指各种颜色处于动态时,反射的色光在人眼中的混合,如彩色转盘的快速转动,各种色块的反射光不是同时在人眼中出现,而是一种色光消失,另一种色光出现,先后交替刺激人眼的感色细胞,由于人眼的视觉暂留现象,使人产生混合色觉。
  人眼之所以能够看清一个物体,乃是由于该物体在光的照射下,物体所反射或透射的光进入人眼,刺激了视神经,引起了视觉反应。当这个物体从眼前移开,对人眼的刺激作用消失时,该物体的形状和颜色不会随着物体移开而立即消失,它在人眼还可以作一个短暂停留,时间大约为1/10秒。物体形状及颜色在人眼中这个短暂时间的停留,就称为视觉暂留现象。正因为有了这种视觉暂留现象,人们才能欣赏到电影、电视的连续画面。视觉暂留现象是视错觉的一种表现。 
  人眼的视觉暂留现象是色光动态混合呈色的生理基础,如图2-10所示的彩色转盘。
  在转盘上以1:1的比例间隔均匀地涂上红、绿两种颜色。快速转动转盘,可以看到转盘上已不再是红、绿两种颜色,而是一个黄色。这是因为:当转盘快速转动时,如果红色反射光进入人眼,就会刺激感红细胞。当红色转过,绿色反射光进入人眼,就刺激了感绿细胞。此时,感红细胞所受刺激并没有消失,它继续停留1/10秒地时间。在这个瞬间,感红细胞与感绿细胞同时兴奋,就产生了综合的黄色感觉。彩色转盘转动地越快,这种混合就越彻底。
  动态混合是由参加混合的色光先后交替连续刺激人眼,因此又称为色光的先后混合。
 
图2-10 色光动态混合
  通常情况下,人眼可以正确地观察及判断外界事物的状态,如大小、形状、颜色等,但如果商品包装的颜色分布太杂,颜色面积太小或多种颜色的交替速度过快,人眼的分辨能力则受到影响,就会使所观察到的颜色与实际有所差别。
  (五)色光混合规律
  1、色光连续变化规律
  由两种色光组成的混合色中,如果一种色光连续变化,混合色的外貌也连续变化。可以通过色光的不等量混合实验观察到这种混合色的连续变化。红光与绿光混合形成黄光,若绿光不变,改变红光的强度使其逐渐减弱,可以看到混合色由黄变绿的各种过渡色彩,反之,若红光不变,改变绿光的强度使其逐渐减弱,可以看到混合色由黄变红的各种过渡色彩。
  2、补色律
  在色光混合实验中可以看到:三原色光等量混合,可以得到白光。如果先将红光与绿光混合得到黄光,黄光再与蓝光混合,也可以得到白光。白光还可以由另外一些色光混合得到。如果两种色光混合后得到白光,这两种色光称为互补色光,这两种颜色称为补色。
  补色混合具有以下规律:每一个色光都有一个相应的补色光,某一色光与其补色光以适当比例混合,便产生白光,最基本的互补色有三对:红-青,绿-品红,蓝-黄。
补色的一个重要性质:一种色光照射到其补色的物体上,则被吸收。如用蓝光照射黄色物体,则呈现黑色。如图2-11 所示。
 
图2-11 物体对补色光的吸收
利用这个道理,我们可以用某一色光的补色控制这一色光。如果控制绿色,可以通过调节品红颜料层的浓度来控制其反射(透射)率,以达到合适的强度。
  3、中间色律
  中间色律的主要内容是:任何两种非补色光混合,便产生中间色。其颜色取决于两种色光的相对能量,其鲜艳程度取决于二者在色相顺序上的远近。
  任何两种非补色光混合,便产生中间色最典型的实例是三原色光两两等比例混合,可以得到它们的中间色:(R) + (G)= ( Y);(G) + (B)= ( C);(R)+ (B)= ( M)。其它非补色混合,都可以产生中间色。颜色环上的橙红光与青绿光混合,产生的中间色的位置在橙红光与青绿光的连线上。其颜色由橙红光与青绿光的能量决定:若橙红光的强度大,则中间色偏橙,反之则偏青绿色。 其鲜艳程度由相混合的两色光在颜色环上的位置决定:此两色光距离愈近,产生的中间色愈靠近颜色环边线,就愈接近光谱色,因此,就愈鲜艳;反之,产生的中间色靠近中心白光,其鲜艳程度下降。
  4、代替律
  颜色外貌相同的光,不管它们的光谱成份是否一样在色光混合中都具有相同的效果。凡是在视觉上相同的颜色都是等效的。即相似色混合后仍相似。
  如果颜色光A=B、 C=D,那么: A+C=B+D
  色光混合的代替规律表明:只要在感觉上颜色是相似的便可以相互代替,所得的视觉效果是同样的。设A+B=C,如果没有直接色光B,而X+Y=B,那么根据代替律,可以由A+X+Y=C来实现C。由代替律产生的混合色光与原来的混合色光在视觉上具有相同的效果。
  色光混合的代替律是非常重要的规律。根据代替律,可以利用色光相加的方法产生或代替各种所需要的色光。色光的代替律,更加明确了同色异谱色的应用意义。
 
  5、亮度相加律 
  由几种色光混合组成的混合色的总亮度等于组成混合色的各种色光亮度的总和。这一定律叫作色光的亮度相加律。色光的亮度相加规律,体现了色光混合时的能量叠加关系,反映了色光加色法的实质。 
  以上五个规律是色光混合的基本规律。从这些规律中可以看出:以各种比例的三原色光相混合,可以产生自然界中的各种色彩。熟悉了色光混合的基本规律,就可以大体知道一个比较复杂的色光,是由那几个原色光组成的,或者几个比较单纯的色光混合起来,会形成什么样的色光。这对于我们在包装色彩的设计和彩色原稿的分析中,都有着十分重要的意义。
 
二 色料减色法
  〈一〉 色料三原色
  在光的照耀下,各种物体都具有不同的颜色。其中很多物体的颜色是经过色料的涂、染而具有的。凡是涂染后能够使无色的物体呈色、有色物体改变颜色的物质,均称为色料。色料可以是有机物质,也可以是无机物质。色料有染料与颜料之分。
  色料和色光是截然不同的物质,但是它们都具有众多的颜色。在色光中,确定了红、绿、蓝三色光为最基本的原色光。在众多的色料中,是否也存在几种最基本的原色料,它们不能由其它色料混合而成,却能调制出其它各种色料?通过色料混合实验,人们发现:采用与色光三原色相同的红、绿、蓝三种色料混合,其混色色域范围不如色光混合那样宽广。红、绿、蓝任意两种色料等量混合,均能吸收绝大部分的辐射光而呈现具有某种色彩倾向的深色或黑色。从能量观点来看,色料混合,光能量减少,混合后的颜色必然暗于混合前的颜色。因此,明度低的色料调配不出明亮的颜色,只有明度高的色料作为原色才能混合出数目较多的颜色,得到较大的色域。 
  从色料混合实验中,人们发现,能透过(或反射)光谱较宽波长范围的色料青、品红、黄三色,能匹配出更多的色彩。在此实验基础上,人们进一步明确:由青、品红、黄三色料以不同比例相混合,得到的色域最大,而这三色料本身,却不能用其余两种原色料混合而成。因此,我们称青、品红、黄三色为色料的三原色。 
需要说明的是,在包装色彩设计和色彩复制中,有时会将色料三原色称为红、黄、蓝,而这里的红是指品红(洋红),而蓝是指青色(湖蓝)。 
  〈二〉 色料减色法及其实质
  颜色是物体的化学结构所固有的光学特性。一切物体呈色都是通过对光的客观反映而实现的。所谓"减色",是指加入一种原色色料就会减去入射光中的一种原色色光(补色光)。因此,在色料混合时,从复色光中减去一种或几种单色光,呈现另一种颜色的方法称为减色法。
 
a b
图2-12
  我们以色光照射理想滤色片为例来说明。当一束白光照射品红滤色片的情况,如图2-12a所示。根据补色的性质,品红滤色片吸收了R、G、B三色中G,而将剩余R和B透射出来,从而呈现了品红色。图2-12b为青和品红二原色色料等比例叠加的情况,当白光照射青、品红滤色片时,青滤色片吸收了R,品红滤色片吸收了G,最后只剩下了B,也就是说,青色和品红色色料等比例混合呈现出蓝色,表达式为:(C)+(M)=(B)。同样,青、黄二原色色料等比例混合得到绿色,即(C)+(Y)=(G);品红、黄二原色色料等量混合得到红色,即(M)+(Y)=(R);而青、品红、黄三种原色色料等比例混合就得到黑色,即(C)+(M)+(Y)=(Bk)。三原色料等比例混合可由图2-13表示。
 
图2-13 减色混色图
  青、品红、黄是色料中用来配制其它颜色的最基本的颜色,称之为原色或第一次色。间色是由两种原色料混合而得到的,称为第二次色。对于红色色料可以认为是黄色色料和品红色料的混合,即(R)=(M)+(Y);同理,绿色色料有(G)=(C)+(Y);蓝色色料有(B)=(C)+(M)。这样在对间色呈色原理进行分析时,色料的间色就可以用原色来表示。复色是由三种原色料混合而得到的颜色。
  色料的呈色是由于色料选择性地吸收了入射光中的补色成分,而将剩余的色光反射或透射到人眼中。减色法的实质是色料对复色光中的某一单色光的选择性吸收,而使入射光的能量减弱。由于色光能量下降,使混合色的明度降低。 
  (三)色料混合变化规律
  1、三种原色的混合 
  三种原色料等比例混合,可以得到黑色,即:
 
式中,表示色料混合后反射(透射)出的色光。
  三种原色料不等量混合时,可以得到复色,其一般形式为:
 
式中:C减为混合色料;(Y)、(M)、(C)为色料三原色的单位量;a、b、g为三原色料份量系数。
  通过混色方程,可以了解各种混合色中三原色料的比例关系,为正确调制颜料提供依据。
  2、原色与间色混合
  (1)互补色料 
  三原色料等比例混合可以得到黑色,即:(Y)+(M)+(C)=(Bk)。若先将黄色与品红色混合得到其间色红色,然后再与青色混合,上式可以写成:(R)+(C)=(Bk)。
  象这样两种色料相混合成为黑色,我们称这两种色料为互补色料,这两种颜色称为互补色。其意义在于给青色补充一个红色可以得到黑色;反之,给红色补充一个青色亦成为黑色。除了红、青两色是一对互补色外,在色料中,品红与绿,黄与蓝也各是一对互补色。
  由于三原色比例的多种变化,构成补色关系的颜色有很多并不仅限于以上几对,只要两种色料混合后形成黑色,就是一对互补色料。任何色料都有其对应的补色料。 
色料混合中,补色的应用是十分广泛的。如在绘画中,画面上某处色彩需要加暗时,并不一定要使用黑色,只要在该处涂以原色彩的补色即可。彩色印刷过程中,调用专用墨色时,应特别注意补色的使用。当调用较鲜艳的浅色时,如不恰当地加入了补色,则会使墨色变得灰暗。 
  (2) 间色与其非互补色的原色混合
  间色与其互补色色料混合呈现黑色,而间色与非互补色的原色色料混合呈色现象则较为复杂。为了更好地解释这一现象,假设1个单位厚度的原色色料能将1个单位的补色光完全吸收。以理想的红滤色片和黄滤色片叠合为例,当1个单位的白光入射时,呈色过程如图2-14所示,表达式如下:
  ① 1个单位厚的红滤色片和1个单位厚的黄滤色片叠合:
  {(Y)+(M)}+(Y)=2(Y)+(M)T(R) 红色
  ② 1/2个单位厚的红滤色片和1/2个单位厚的黄滤色片叠合:
  {1/2(Y)+1/2(M)}+1/2(Y)=(Y)+1/2(M)T1/2(R)+1/2(Y) 红黄
  ③ 1/4个单位厚的红滤色片和1/4个单位厚的黄滤色片叠合:
  {1/4(Y)+1/4(M)}+1/4(Y)=1/2(Y)+1/4(M)T1/4(R)+1/4(Y)+1/2(W)淡红黄
  间色与非互补色的原色混合,随着浓度的不同,不仅明度和饱和度发生变化,而且色相也产生了变化。混合色料浓度(厚度)大时,呈现出间色的色相;当浓度减小时,变为间色和原色的混合色相。
 
  (3)间色与间色混合
  两种间色色料混合,随着色料的浓度的不同,呈现的色彩出现了很大的变化。将理想红滤色片和绿滤色片叠合在一起,当1个单位的白光入射时,随着滤色片厚度的变化,会呈现出不同的颜色。呈色过程如图2-15所示,表达式如下:
  ① 1个单位的红滤色片和1个单位的绿滤色片叠合:
  {(Y)+(M)}+{(Y)+(C)}=2(Y)+(M)+(C)(BK)      黑色
  ② 1/2个单位厚的红滤色片和1/2个单位厚的绿滤色片叠合:
  {1/2(Y)+1/2(M)}+{1/2(Y)+1/2(C)}=(Y)+1/2(M)+1/2(C)1/2(Y)  黄色
  ③ 1/4个单位厚的红滤色片和1/4个单位厚的绿滤色片叠合:
  {1/4(Y)+1/4(M)}+{1/4(Y)+1/4(C)}=1/2(Y)+1/4(M)+1/4(C)1/4(Y)+1/2(W)                               淡黄色
  间色色料混合颜色较深,当色料浓度(厚度)较大时呈现黑色,饱和度为0,随着浓度(厚度)的减小,逐渐呈现出色彩、明度变大,饱和度迅速增加,达到一定程度后逐渐减小。
  这种间色混合现象,常出现于光源亮度改变的情况下,对于某一间色混合色样(颜料层厚度不变),当照明光源的亮度改变时,同样会出现色相、明度和饱和度的变化,这对印刷色彩的再现及包装色彩的设计具有一定的指导意义。
  以上是复色的几种基本混合方法。此外还有原色与复色、间色与复色、原色与黑色的混合方法,均可以得到新的复色。无论那种混合方法,实质上都是三原色料等比例或不等比例的混合。由此,可以进一步证明:三原色料可以混合出现各种颜色,这是绘画或印刷中,用少数几种色料调制出各种色彩的理论依据。 
 
 
三 加色法与减色法的关系
  加色法与减色法都是针对色光而言,加色法指的是色光相加,减色法指的是色光被减弱。
  加色法与减色法又是迥然不同的两种呈色方法。加色法是色光混合呈色的方法。色光混合后,不仅色彩与参加混合的各色光不同,同时亮度也增加了;减色法是色料混合呈色的方法。色料混合后,不仅形成新的颜色,同时亮度也降低了。加色法是两种以上的色光同时刺激人的视神经而引起的色效应;而减色法是指从白光或其它复色光中减某些色光而得到另一种色光刺激的色效应。从互补关系来看,有三对互补色: R-C;G-M;B-Y。在色光加色法中,互补色相加得到白色;在色料减色法中,互补色相加得到黑色。
  色光三原色是红(R)、绿(G)、蓝(B),色料三原色是青(C)、品红(M)、黄(Y)。人眼看到的永远是色光,色料三原色的确定与三原色光有着必然的联系。在对人眼的视觉研究中表明,视网膜上的中央窝内,有三种感色细胞,即感红、感绿、感蓝视锥细胞。自然界的各种色彩,可以认为是这三种视锥细胞受到不同刺激所产生的反映,因此,我们只要有效地控制进入人眼的三原色光的刺激量,也就相对控制了自然界各种物质的表面颜色。在色光相加混合中,通过红、绿、蓝三原色光能混合出较多的颜色,有最大的色域,为此我们选择青色来控制红光,青色是红色的补色它能最有效地控制(吸收)红光;同理,选择绿色的补色品红来控制绿光;选择蓝色的补色黄色来控制蓝光。因为青、品红、黄通过改变自身的厚度(或浓度),能够很容易的改变对红、绿、蓝三原色光的吸收量,以完成控制进入人眼的三原色光的数量。
  利用青、品红、黄对反射光进行控制,实际上是利用它们从照明光源的光谱中选择性吸收某些光谱的颜色,以剩余光谱色光完成相加混色作用,同时也是对色光三原色红、绿、蓝的选择和认定。色光三原色红、绿、蓝和色料三原色青、品红、黄是统一的,具有共同的本质,是一个事物的两个方面。它们都能得到较大的色域是必然的,因为照射到人眼的是色光。
  色光加色法与色料减色法的联系与区别,见表2-3。
 
 
四、设计软件中三原色的明度关系
  在CorelDRAW 9.0(或Photoshop)中,我们给出RGB值便可观察到Lab值(图2-16),结果见表2-4。
 
图2-16黄色的心理明度 图2-17色相环中色彩的明度
  从表2-4 心理明度L值的大小可以看出在设计软件中色彩的明度顺序是:白、黄、青、绿、品红、红、蓝、黑。RGB模式为加色法模式,色光混合亮度增加,RGB的值相加数值越大色彩越明亮。CMY模式为减色法模式,色料混合光能量减小,CMY的值相加数值越大色彩越深暗。
 
从组成的六色色相环(图2-17)中可以看出,加色法模式中,红、绿、蓝为色光三原色明亮度较低,混合后明亮度增大,得到明亮度相对较高的黄光、青光和品红光;减色法模式中,青、品红、黄为色料的三原色明度较高,混合后光能量减小,得到明度相对较低的红色、绿色和蓝色。在六色色相环中,红、绿、蓝在其区域内明度最低,青、品红、黄在其区域内明度最高。
 
第三节彩色物体 
 
一 、物体对光的透射、吸收和反射
  在我们周围,每一种物体都呈现一定的颜色。这些颜色是由于光作用于物体才产生的。如果没有光,我们就无法看到任何物体的颜色。因此,有光的存在,才有物体颜色的体现。 
  从颜色角度来看,所有物体可以分成两类:一类是能向周围空间辐射光能量的自发光体,即光源。其颜色决定于它所发出光的光谱成份;另一类是不发光体,其本身不能辐射光能量,但能不同程度地吸收、反射或透射投射其上的光能量而呈现颜色。这里,我们主要讨论不发光体颜色的形成问题。 
  无论哪一种物体,只要受到外来光波的照射,光就会和组成物体的物质微粒发生作用。由于组成物质的分子和分子间的结构不同,使入射的光分成几个部分:一部分被物体吸收,一部分被物体反射,再一部分穿透物体,继续传播(图2-18)。图中为入射光通量;为透射光通量;为反射光通量;为物体吸收的光通量。
(一)、透射
  透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体,如玻璃,滤色片等。若透明体是无色的,除少数光被反射外,大多数光均透过物体。为了表示透明体透过光的程度,通常用入射光通量(见图2-18)与透过后的光通量之比τ来表征物体的透光性质,τ称为光透射率。
 
图2-18
表示为
 
从色彩的观点来说,每一个透明体都能够用光谱透射率分布曲线来描述,此光谱透射率分布曲线为一相对值分布。所谓光谱透射率定义为从物体透射出的波长λ的光通量与入射于物体上的波长λ的光通量之比。表示为
 
通常在测量透射样品的光谱透射率时,还应以与样品相同厚度的空气层或参比液作为标准进行比较测量。
  (二)、吸收
  物体对光的吸收有两种形式:如果物体对入射白光中所有波长的光都等量吸收,称为非选择性吸收。例如白光通过灰色滤色片时,一部分白光被等量吸收,使白光能量减弱而变暗。如果物体对入射光中某些色光比其它波长的色光吸收程度大,或者对某些色光根本不吸收,这种不等量地吸收入射光称为选择性吸收。例如白光通过黄色滤色片时,蓝光被吸收,其余色光均可透过。
  物体表面的物质之所以能吸收一定波长的光,这是由物质的化学结构所决定的。可见光的频率为不同物体由于其分子和原子结构不同,就具有不同的本征频率,因此,当入射光照射在物体上,某一光波的频率与物体的本征频率相匹配时,物体就吸收这一波长(频率)光的辐射能,使电子的能级跃迁到高能级的轨道上,这就是光吸收。 
  在光的照射下,光粒子与物质的微粒作用,这些物质吸收某些波长的光粒子,而不吸收另外一些波长的光粒子,使得不同物质具有不同的颜色。例如,油墨的颜色是颜料的分子结构所决定的。分子结构的某些基团吸收某种波长的光,而不吸收另外波长的光,从而使人觉得好像这一物质"发出颜色"似的,因此把这些基团称为"发色基团"。例如,无机颜料结构中有发色团,如铬酸盐颜料是(重铬酸根),呈黄色;氧化铁颜料的发色团是呈红色;铁蓝颜料的发色团是呈蓝色。这些不同的分子结构对光波有选择性的吸收,反射出不同波长的光。
  表面覆盖了涂料的物体 ,对于不透明的涂料来说,颜料颗粒反射回的光还受到颜料连结料性质的影响;如果涂料是透明的,物体的颜色不仅取决于涂料的颜色,还很大程度上决定于涂料层下物体的颜色。
  白光投射到非选择性吸收物体上时,各种波长的光被吸收的程度一样,所以,从物体上反射或透射出来的光谱成份不变,即这类物体对于各种波长的光的吸收是均等的,产生消色的效果。
  光照射到非选择性吸收的物体上,反射或透射出来的光与入射光的强度相比,有不同程度的减少。反射率不到10%的非选择性吸收的物体的颜色称为黑色。反射率在75%以上的非选择性吸收的物体的颜色称为白色。非选择性吸收的物体对白光反射率的大小标志着物体的黑白的程度。
  (三)、反射
  这里所说的反射是指选择反射,非透明体受到光照射后,由于其表面分子结构差异而形成选择性吸收,从而将可见光谱中某一部分波长的辐射能吸收了,而将剩余的色光反射出来,这种物体称为非透过体或反射体。
  图2-19(A)表示了入射光通量与反射光通量。不透明体反射光的程度,可用光反射率ρ来表示。光反射率可以定义为"被物体表面反射的光通量与入射到物体表面的光通量之比。"可表示为
 
  从色彩的观点来说,每一个反射物体对光的反射效应,能够以光谱反射率分布曲线来描述。光谱反射率定义为"在波长λ的光照射下,样品表面反射的光通量与入射光通量之比。表示为
 
  对图2-19(A),若用光谱反射率来分析,则可以说在入射白光光谱中,蓝色光和绿色光部分被吸收,值接近于零;只有红色光部分的辐射能被反射,具有较大的值,故该物体表面呈红色。图2-19(B)是该物体表面的光谱反射率分布曲线,习惯上称为分光反射曲线或简称分光曲线。分光反射曲线可以精确地描述物体的颜色,对色彩的定量描述有重要意义。
 
图 2-19
  物体对光的反射有三种形式,理想镜面的全反射,粗糙表面的漫反射,及半光泽表面的吸收反射。
  理想的镜面能够反射全部的入射光,但以镜面反射角的方向定向反射(图2-20a)。完全漫反射体朝各个方向反射光的亮度是相等的(图2-20b)。 
  实际生活中绝大多数彩色物体表面,既不是理想镜面,也不是完全漫反射体,而是居二者之中,称为半光泽表面。这种性质可以用变角光度计测量其表面反射率因数的分布状况,从而得到图2-21所示的分布曲线。图中从测试样中心到曲线的半径距离,表示在该方向上反射率因数的大小;曲线a是一个半圆,表示完全漫反射体的反射率因数分布;曲线b是半光泽表面反射率因数分布,这表示在镜面反射方向有较强的反射能力。
  对于印刷用纸,其表面应属于半光泽表面,图2-22所示是两种纸张,入射角为45°,观察者在0o位置,图2-22(a)是涂料纸,图2-22(b)是非涂料纸。
 
图 2-20
 
图2-21
 
图2-22
  在彩色印品中,通常是将透明油墨印在纸张上,当入射光以45°照射在印刷墨层表面上时,大约有4%的入射光在墨层表面被反射,称为首层表面反射光;若印刷墨层表面光泽较强,则这4%的首层表面反射光作定向反射,因此不易进入人的眼睛;其余入射光穿过油墨层,经过油墨的选择性吸收后,再透射出来,这就是我们观察到的主色光。如图2-23(a)所示。如果印刷表面粗糙,则这4%的首层表面反射光,将朝各个方面作漫反射,如图2-23(b)所示,此时我们观察到的色光,就是主色光与首层表面反射光的混合光。因为这里有白光的掺和,就降低了主色光的饱和度。所以,同一种油墨印刷在不同的纸上,如果提高印刷表面光泽度,就可以使观察到的色光中,减少首层表面反射的白光,从而提高了色彩的饱和度,促使颜色鲜艳。
 
图2-23
  二、物体呈色机理及影响因素
  (一)、物体色
  物体对光的选择性吸收是物体呈色的主要原因。我们说"花是红色的",是因为它吸收了白色光中400~500nm的蓝色光和500~600nm的绿色光,仅仅反射了600~700nm的红色光。花本身没有色彩,光才是色彩的源泉。如果红色表面用绿光来照射,那么就呈现黑色,因为绿光波长的辐射能被全部吸收了,它不包含可反射的红光波长。可见,物体在不同的光谱组成的光的照射下,会呈现出不同的色彩。所以,"色彩"并不是物质本身的物理性实体,只有光波波长才是物理性现实存在,物体的固有性质只是它对可见光谱中某些波段吸收或反射的能力。从这个意义上讲,世界上一切物体本身都是无色的,只是由于它们对光谱中不同波长的光的选择性吸收,才决定了它的颜色。无光则无色,是光赋予了自然界丰富多彩的颜色。
  显然,物体颜色是受光源的光谱组成(光源光谱能量分布)所决定的,所以物体的颜色可以这样解释:该物体本身不发光,而是从被照射的光里选择性吸收了一部分光谱波长的色光,而反射(或透过)剩余的色光,我们所看到的色彩是剩余的色光,这就是物体的颜色,简称物体色。
  (二)、固有色
  长期以来,人们习惯于在日光下辨认物体的颜色。人们对物体呈现的颜色记忆和称呼随着历史的发展而固定下来。因此,我们把物体在标准日光下的颜色,称为固有色。 
自然界中的一切物体都有其固有的本征频率,对入射的白光都有固定的选择吸收特性,也就具有固定的反射率和透射率。因此人们在标准日光下看到的物体颜色是稳定的。固有色给人的印象最深刻,形成了记忆,又称为记忆色。
  (三)、光源色对物体颜色的影响
  光源所呈现的颜色为光源色。各种光源都有其特定的光谱能量分布,可以发出不同颜色的色光。光源色是影响物体颜色的重要因素。光源色的变化,势必影响物体的颜色。由于光源自身结构和传播空间的影响,使光源色时常在变化着。表现在以下几方面: 
  1、亮度的变化
  自然光源受气候条件的影响,时刻发生亮度的变化,很不稳定。如晴天和阴天的太阳光强度相差很大。人造光源比自然光源稳定,但也有亮度的变化。例如白炽灯,亮度增大时,颜色趋向于白;亮度减弱时,颜色趋向于红。光源的亮度变化对物体颜色有直接的影响。物体的固有色在入射光亮度适中的时候表现最充分。太亮的强光会使固有色变浅,太暗则会使固有色灰暗乃至消失。
  2、距离的变化
光源与观察者距离的变化,会使光源色发生改变。如白炽灯光,随着距离的推远,其颜色由黄逐渐向橙、橙红、红色变化。 
  3、传播媒质的变化
  光传播媒质的变化也会改变光源色。由于大气厚度不断改变,太阳光的颜色也时刻在变化着。早晨、傍晚太阳光投射角度为15°左右,阳光要穿透较厚的大气层才能到达地面,由于光的散射,使光谱中红、橙光透过较多,此时光源色为橙红色;白天太阳光投射角度为60°~90°,太阳光的散射作用比较均匀,透到地面的光源色为白色。
  物体表面的色彩与光源的光谱成份有极大的关系。用于照明的光源色往往是极复杂的。可能是单色光,也可能是复色光。就复色光而言,其光谱成份也可能不相同。物体对入射光的吸收、反射、透射的光学特性虽然不受光源的影响,但当光源的光谱成份发生变化时,必然影响到物体的反射或透射光的光谱成份,从而使物体的表面颜色随着光源色的变化而变化。消色物体在彩色光源的照射下,会呈现彩色。白色物体,在红光照射下呈现红色;在红光和蓝光的同时照射下呈现品红色。彩色物体在特定光源照射下,会呈现消色。例如,在白光下为绿色的物体,在暗室的红灯照射下就几乎成为黑色的物体了,因为绿色物体只反射绿光,而红灯中没有绿光的成份,物体表面在红光照射下不能反射出绿色的光来,红光又都被吸收了,因此显出黑色,如图2-24所示。
 
图2-24 同一物体在不同光源下呈现不同颜色
  同理,在自然光或接近日光光谱的人造光源下观察一张黄色的印样,能很清楚地看出墨色深浅和层次的传递情况。因为在标准照明条件下,黄色的图文容易与白纸区分开。如果在普通白炽灯下观察这张印样,白纸上的黄墨层就看不太清楚了,很难判别油墨的深浅和层次的好坏。这是因为白炽灯的光谱中蓝色成份较缺乏,而使灯光偏黄,在这样的灯光照明下,黄色图文和白色纸张不容易分清,因此,图文的深浅,层次很难看清。
  光源色对物体色的影响主要表现在物体的光亮部位。不同的光源色对物体色彩变化的影响程度各不相同,大致以红光最强﹑白光次之﹑再次为绿、蓝、青、紫等。
  4、环境色对物体颜色的影响
  一般地讲,物体的固有色是不变的。但是任何物体若放在其它有色物体中间,必然会受到周围邻近物体的颜色(即环境色)的影响。
  环境色对物体色的影响在物体的暗部表现得比较明显。环境色对物体的颜色的影响取决于环境色的强弱,邻近物体与被观视物体的距离,被观视物体表面粗糙程度和颜色等性质。一般地说,邻近物体与被观视物体靠得越近,被观视物体表面越光滑,反射光线越强,则环境对被观视物体的颜色所施加的影响也越大。反之,与邻近物体距离越远,表面越粗糙,颜色越浅,物体受环境色的影响越小。
  环境对颜色的影响还有另一种形式,如图2-25所示,中央的小方块都具有同样的灰度,但由于受到周围的颜色的影响,使人对每一块色块有的不同感受。因此,如果不把观视条件确定下来,无法把同一色块的物理性质和它所引起的视觉感受统一起来的。为此国际标准照明委员会(CIE)推荐了一套标准观视条件。
 
图2-25 背景对颜色的影响
  综上所述,物体的基本颜色特征是固有色,但由于光源色与环境色的影响使物体表面的色彩丰富多变。在特定的光源与环境下物体呈现的颜色称为条件色。每一物体的颜色都是物体的固有色与条件色的综合体现。
  一般说来,物体的固有色很容易确认,而条件色却很复杂,一幅好的艺术作品,恰恰是通过条件色来充分体现其复杂的空间关系的。因此,包装设计和色彩复制工作者,应更好地掌握条件色的变化规律,才能更真实、更准确地作好包装色彩的设计和复制工作。
 
第四节 密度  在包装印刷和摄影等现场(如印刷车间、工厂)测试中,对产品质量进行检测和控制最迅速、简便而又有效的仪器测量法,就是密度测量法。密度最初是用来测量胶片感光后银沉积黑化的程度。因为胶片在曝光时的光量大小不同,使银沉积变黑的程度不同,而使光透过率高低发生变化。由于光量的变化,在人的视觉感受上就产生明暗、深浅和黑白的感觉。所以,密度测量实质上是透过光(反射光)的光量大小的度量,是视觉感受上眼睛对无彩色的白--灰--黑所组成的画面明暗程度的度量。从数学意义上来说,就是将作指数函数变化的光量,通过对数函数变换成接近于人眼对光量差别主观感觉的等差变化(1、2、3……n)。现在,密度测量和密度计已经成为包装印刷中最重要的专用仪器,无论是对工艺技术和印刷原材料的评价,或者是在照相制版过程中用做检查、控制的手段;或是在印刷过程中对彩色油墨与彩色图象质量的鉴定和评价,都离不开密度计。
  一、 光密度 
  光密度有透射密度和反射密度之分,表达式如下: 
 
光透射密度
光反射密度
当时,即表示入射光线全部透射过去;当时,即, 表示入射光线透过10%;当时,即,表示透光率为1%。光密度是物体对入射光吸收程度的反映,光密度数值越大,物体色越暗。
  光谱反射密度 
 
  二、 朗伯-比尔定律
  由于物体吸收了部分可见光的能量,致使光强度变弱,并使物体呈现出某种颜色。如果原来是透明体,则仍然是透明的;如果所有的光都被吸收了,那么这种物体便是黑色的。光的吸收作用是受朗伯(Lamber)定律和比尔(Beer)定律这两个物理定律支配的。朗伯定律指出,在一定的波长下,光的吸收量与吸光材料的厚度成正比。比尔定律指出,在一定的波长下,光的吸收量与吸光材料的浓度成正比。朗伯-比尔定律可以写成下面的数学形式:
 
式中为介质(如透明胶片、印刷油墨膜层等)的厚度(见图2-26);C 为介质的浓度(单位体积内含色料的数量);称为吸收物体的分子消光指数或吸光指数,它与吸收物体的分子结构有关,与照射光的波长有关。对于一般的吸收(如中性灰色),近似于常数;而在部分吸收的情况下(如彩色物质), 随波长不同而有显著变化,对于不同波长的色光,值差异很大。朗伯--比尔定律在印刷科学中有着广泛的应用,但是要注意,朗伯定律只限于吸收物质是均匀的,比尔定律也只限于吸收物质在一定的浓度范围内,当浓度发生变化,产生离解、聚合等现象就不成立了。
 
图 2-26
  三、 色料(油墨)密度与厚度的关系
  (一) 影响油墨密度的因素
  根据朗伯-比尔定律,计算密度的一般表达式为:
 
当油墨浓度 C保持不变时,则同一种油墨的密度D应与厚度成正比(因为吸光指数是常数)。但这通常只考虑到照射光在物体内吸收的情况,而没有考虑到光波在油墨层的散射、多重反射等其它复杂的情况。因此,我们把只有吸收的情况称为简单减色法,实际情况要比这复杂得多,可暂称为复杂的减色混合。下面分别来讨论影响光密度的各种因素:
  1、 油墨的首层表面反射 
  图2-27及2-28所示为平滑有光泽的油墨表面和粗糙无光泽油墨表面。对光泽表面而言,当入射光的入射角为45°时,其反射角也为45°,首层表面反射率约为4%。对于粗糙墨层表面,首层表面反射无方向性,致使墨层密度值下降。
 
图 2-27 图2-28
  2、 油墨的多重内反射 
  如图2-29所示,由于油墨和纸的折射系数几乎相同,光线由墨层至纸面或由纸面反射回墨层时所发生的表面反射可忽略不计。但当光线透出墨层时,一些光线被墨层的内表面反射回纸面的现象,对于油墨的成色性则有较大影响。
 
图2-29 图2-30
  光线从大折射系数的油墨至小折射系数的空气时,由于经纸面漫反射回墨层的光以各种角度射至墨层内表面,故必将发生完全内反射,既有相当部分的光要被墨层反射回纸面。对于一束光线,这种内反射可能要经历多次,它被称为多重内反射。光透出墨层前在墨层中几经倾斜内反射,每次内反射时油墨都吸收部分光,致使油墨密度非常规则地增加。当油墨密度足够大时,光在墨层中作多重内反射之前就被吸收了。墨层的多重内反射使其吸收范围加宽,并增加了其它波长的不应有密度。
  3、 油墨的透明性不良 
  如图2-30所示,油墨中颜料颗粒的表面反射和连接料与悬浮于其间颜料的折射系数差造成了油墨的透明性不良。当油墨叠印时,这是一种严重的缺陷。上层油墨的任何透明性不良,将影响光线透入下层油墨,因而不能被下层油墨充分地进行选择性吸收。
  4、 油墨的选择性吸收不纯 
  采用油墨作为减色法呈色的色料,正是基于油墨具有相对纯净的光谱选择性吸收性能。四色胶印之所以要以黄、品红和青墨作为三原色墨,也是基于它们的光谱选择性吸收主要分别在蓝色区、绿色区和红色区。图2-31是常用黄、品红和青墨的光谱密度曲线。
 
图2-31
  由图2-31可见,实用墨在应吸收色域的吸收量不足,而在不应吸收色域又具有一定量的吸收。
  油墨的光谱选择吸收性能在决定油墨色彩时起主要作用。同时,在判断油墨纯洁程度这一议题上,采用光谱选择性吸收进行分析,也是一种较为精确的方法。
  (二)、油墨厚度的计算
   前面讨论的各种原因,均是由于油墨本身的性质所引起的使得密度值与厚度不成正比,而呈现出一种极为复杂的关系,而且还与印刷用的纸张有很大关系。实际上印刷油墨层的光学密度D,并不因油墨层的厚度 变大而无限地增加。多数的纸张油墨厚度在10μ左右便达到饱和状态,密度值不在增加。设饱和状态时的密度值为则可写出下面的关系式:
 
 
图2-32
经积分、整理后,有:
 
式中m是与印刷用纸张平滑度有关的常数。
式(2-13)中密度D、油墨厚度可用实验的方法确定,从而可以求出式中的另外两个参数和m。
  例如用新闻纸在印刷适性仪(IGT)上,以进行压印,测知其相应的密度为则按式(2-13)可写出方程组:
 
消去则有
 
 
解方程式可求得纸张平滑度常数
          m=0.571
由式(2-14)可以求得饱和状态时的密度值:
 
将所求得的参数D∞和m代入式(2-13),就可以得到适合于新闻纸的油墨密度与厚度关系计算式:
 
  朗伯-比尔定律是在理想条件下推出的,它只考虑了油墨颜料的吸收性,而没有考虑在实际印刷中的许多复杂因素,更没有考虑到承印物如纸张、塑料等对油墨转移与成色所造成的影响,因而产生了理论计算与实际情况的差异。但是,尽管实际情况千差万别,影响因素种类繁多,然而"吸收性"仍然是油墨成色的根本原因。当油墨浓度保持不变时,影响油墨密度D的主要参数也仍然是墨层厚度 (式2-15)。墨层厚度,一直是印刷中主要控制对象。
  四、 彩色密度
  色料三原色是青、品红、黄,它们可以控制吸收红、绿、蓝三原色光的进入人眼的量。用什么方法才能测量出这种吸收控制量的大小呢?以青墨为例来说,它是用来吸收控制进入人眼红色光的,为了要测知它对光谱中红光的吸收能力,在作密度测量时,我们在密度计里放置一个红滤色片。不加红滤色片,则密度所反映的是青墨对照射光整个光谱吸收的程度。加放红色滤色片,可以直接测得青墨对照射光光谱中红光的选择性吸收程度,也就是直接测知青墨对进入人眼中的红光吸收控制的程度,并借以判断青墨的饱和度和厚度。加放红色滤色片后,密度值高表明青墨对照射光中的红光吸收量多,这表示青墨饱和度高或墨层厚;反之,若密度值低则表明青墨对照射光中红光吸收量少,这表示青墨的饱和度低或墨层薄。 
  用红、绿、蓝三种滤色片测量的密度,称为彩色密度或三滤色片密度,分别用DR、DG、DB表示。DR反映了色料对入射光光谱中红光的吸收程度,同样DG、DB分别表示色料对入射光光谱中绿光、蓝光的吸收程度。因此可以用彩色密度这三个独立的参数DR、DG、DB来准确地表示某一色样的色彩属性。
  五、 色料(油墨)颜色质量的GATF密度评价方法
  (一)、对油墨颜色质量进行评价的必要性
  彩色图象印刷品的最终色彩效果,在一定条件下与油墨的颜色质量直接相关。因为油墨是彩色印刷品色彩的来源,其最后的视觉效果是依靠油墨印刷在纸张上的效果来决定的。所以彩色图象印刷要求油墨的颜色能使印刷品色彩鲜艳、明亮。就彩色印刷的全过程来说,如分色、制版、印刷以及纸张质量的好坏,虽然都会影响到印刷品的颜色,但是油墨颜色的优劣,则是影响色彩效果的最重要的条件。假如油墨的颜色不好(包括油墨的色相、明度、饱和度等),不论采用多么先进的工艺方法,也印不出好的彩色印刷品来。所以,我们在讨论油墨诸性质的时候,必须对油墨的颜色质量(好坏)以及彩色印刷对油墨的要求等方面加以研究。 
  (二)、影响油墨颜色质量的最主要因素
  前面已经讨论了影响油墨密度值的各种原因,其中对油墨颜色质量最有影响的就是各原色油墨的光谱选择性吸收不纯.这涉及到油墨本身的色相和饱和度,是油墨颜色纯洁性最根本的问题。
  1、 不应有吸收和不应有密度 
  从图2-31(a)中可以看到:青色油墨在400~500nm的蓝色波段和500~600nm的绿色波段内都不应有吸收性,它应该全部反射,因而不应该有密度值存在,或者说在此区间其密度值应为0。所以我们称400~500nm和500~600nm中的密度为青墨的不应有密度。之所以产生不应有密度,是因为青墨中掺杂有黄色的成份,造成它在400~500nm区间吸收蓝光,这可以用密度计上的蓝滤色片来测量,以DB表示。又由于青墨中还掺杂有品红的成份,造成它在500~600nm区间又吸收绿光,产生不应有密度,这可以用密度计上的绿滤色片来测量,以DG来表示。由于油墨存在不应有密度 ,青墨就有三个密度值:其一是有红滤色片测得的DR称为主密度值;另外二个为不应有密度DG和DB,称为副次密度值。同理对于品红墨和黄墨亦因颜色不纯净,而有用红、绿、蓝三滤色片所测得的密度。表2-5为一组青、品红、黄三原色油墨用红、绿、蓝三滤色片所测得的密度值:
 
  2.密度不够和吸收不足 
  从图2-31(a)中还可看到,青墨在600~700nm区间对红光吸收不足,密度值不够高。在表2-5中的青墨,主密度DR=1.23,实际吸收红光为94%;品红墨主密度DG=1.20, 实际吸收绿光为93.5%;黄墨主密度DB=1.10,实际吸收蓝光92%,三者吸收性都不够强,因为在理想的情况下,各原色油墨的主密度值至少应达到2以上,吸收率为99%,其副次密度应为0,如表2-6所示。由此可见,采用密度测量法评价油墨的颜色质量很方便,也是容易判断的。
 
  (三)、评价油墨颜色质量的参数
  目前在印刷界广泛采用的以上述红、绿、蓝三滤色片密度值来评价油墨颜色特征的方法,是由美国印刷技术基金会GATF推荐的,它提出了四个参数来表征油墨的颜色质量特性:
  1、 油墨色强度
  不同油墨进行强度比较时,三个滤色片中密度数值最高的一个即为该油墨的强度。例如在表2-5中的青墨强度为1.23,品红墨强度为1.20,黄墨强度为1.10,它们也是各自的主密度值。油墨强度决定了油墨颜色的饱和度,也影响着套印的间色和复色色相的准确性和中性色是否能达到平衡等问题。油墨的强度,在一般的印刷工艺情况下,黄墨主密度值DB在1.00~1.10,品红主密度值DG在1.30~1.40,青墨主密度值DR在1.4~1.50,黑墨主密度值DBk在1.5~1.60。
  2、 色相误差(色偏)
  因为油墨颜色不纯洁,使得对光谱的选择吸收不良,产生不应有密度,而造成色相误差。不应有密度的大小就是这种色相偏差的反映。从表2-5中可以看到,各种原色都可以用R、G、B滤色镜测量,得到高、中、低三个不同大小的密度值。色相误差可由这三个密度值按照下面的公式进行计算。油墨的色相误差用百分率表示:
 
以表2-5中的青墨为例,其色相误差为:
 
  3、 灰度
  油墨的灰度,可以理解为该油墨中含有非彩色的成份。如前所述,这是由于低密度值处不应有吸收所造成的,它只起消色作用。灰度以百分率表示,用下面的方法计算:
 
仍以表2-5中的青墨为例,其灰度为:
 
灰度对油墨的饱和度有很大影响,灰度的百分数越小 ,油墨的饱和度就越高。
  4、 色效率
  油墨色效率是指一种原色油墨应当吸收三分之一的色光,完全反射三分之二的色光。因为油墨存在不应有吸收和吸收不足,就使得油墨颜色效率下降,可按下式计算:
 
以表2-5中的青墨为例,它的色效率为:
 
   色效率只对三原色墨有意义,对于两原色墨叠印的间色(二次色)就没有实际意义了。
表2-7是牡丹牌快干亮光胶印油墨的颜色质量参数,这相当于欧洲标准四色油墨的颜色质量参数数据。
 
  (四)、GATF色轮图
  图2-33是美国印刷技术基金会所推荐的色轮图,该图是以油墨的色相误差和灰度两个参量作为坐标,圆周分为六个等分:三原色Y,M,C和三间色G、R、B,圆周上的数字表示色相误差,从圆心向圆周半径方向分为10 格,每格代表10%,最外层圆周上灰度为0(饱和度最高为100%),圆心上灰度为100%(消色,饱和度最低,等于0)。在色轮图上描点时要注意下面两点:
  1、 对于Y、M、C三原色的色相误差, , 以零为标准,在确定这一色相误差偏离原色坐标的方向时,以那个滤色片测得的密度值最小为依据,即表示某颜色较多的反射了该滤色片的色光,故偏靠该滤色片的方向,即色相误差就偏向该滤色片的颜色。 
  例如表2-7中的品红M,其色相误差为46%,最小密度值是由红滤色片测得的,故确定坐标时应往红方向偏46%。灰度坐标由外往里计算为12%,这样就可确定M点。同理可以确定Y和C两图中的位置。
 
图2-33
  2、对于R、G、B三间色的色相误差以100为标准,因为理想的绿(G)色在绿滤色片的密度值应为0,而在红和蓝滤色片下的密度应呈现最高值,如表2-8所示,所以理想绿色的色相误差可以计算得出为:
 
 
 
 
  所以实际叠印绿色的色相误差为32.9%,其最小密度值是由蓝滤色片测得(本色滤色片的密度值除外),故该绿色应偏向蓝色方向,在32.9%的位置上。灰度坐标仍然由外往里计算为36.5%这样就确定了G点。用同样的方法可以确定红色R和蓝色B在色轮图中的位置。
  将图2-33中的YRMBCG连接起来构成的六边形,就是这组三原色油墨的色域。该六边形愈大,则油墨色域愈大,色效率愈高。完全理想的一组彩色油墨,为图中虚线所表示的正六方形。
  GATF色轮图采用色相误差和灰度两个坐标,直观清晰,很容易理解,尽管这种方法并不能象CIE系统那样精确,但是在包装印刷上用来分析油墨的颜色的印刷特性,却是很受欢迎和有效的。