色度學(xué)的空間光色學(xué)

色度學(xué)的空間光色學(xué)

顏色與人們的生活密切相關(guān)。隨著科技的發(fā)展,從理論到實(shí)踐,顏色的研究、運(yùn)用已成為非常重要的內(nèi)容。色度學(xué)是研究人的顏色視覺規(guī)律、顏色測量的理論與技術(shù)的科學(xué),顏色就是光作用于人眼引起除形象以外的視覺特性。當(dāng)顏色光射入正常眼后,匯聚在視網(wǎng)膜上,刺激感光細(xì)胞,最后以電脈沖形式傳入大腦皮層,產(chǎn)生顏色感覺。顏色是影響光環(huán)境質(zhì)量的要素,也對人的生理和心理活動(dòng)產(chǎn)生影響,對視覺空間光色進(jìn)行研究,將有利于顏色在生產(chǎn)、生活實(shí)踐中的科學(xué)運(yùn)用。1顏色的空間類型1.1色度學(xué)中的彩度與變色顏色分為光源色和物體色,光源是能發(fā)光的物理輻射體,光源色是由光源發(fā)射的光的顏色,光被物體反射或透射后的顏色稱為物體色。物體色不僅與光源的光譜能量分布有關(guān),還與物體的光譜反射系數(shù)或光譜透射系數(shù)分布相關(guān)。顏色有無彩色和有彩色之分,無彩色是指從白到黑的一系列中性灰色。有彩色是指白黑系列以外的各種顏色。根據(jù)色的心理概念,任何一種有彩色的表觀顏色,均可按三種獨(dú)立的屬性分別描述,這就是色相、明度、彩度。色相是各彩色彼此相互區(qū)別的視感覺的特性。物體的色相取決于光源的光譜組成和物體反射(透射)的各波長光輻射比例對人產(chǎn)生的視感覺。明度是顏色相對明暗的視感覺的特性。彩度是用距離等明度無彩點(diǎn)的視知覺特性來表示物體表面顏色的濃淡,即彩度指的是彩色的純潔性。由色度學(xué)中的顏色視覺實(shí)驗(yàn)確定,任何色光均可用不超過三種純光譜波長的光來正確模擬。通過紅、綠、藍(lán)三種顏色可以獲得最多的混合色。色度學(xué)中將紅(700nm)、綠______(546.1nm)、藍(lán)(435.8nm)三色稱為光色的源色(這與物體顏色青、品紅、黃色有區(qū)別)。顏色可以相互混合,顏色混合分為光源的顏色的相加混合和染料、涂料類的物體色的顏色光的減法混合。顏色光的相加混合規(guī)律是:每一種顏色都有一個(gè)相應(yīng)的補(bǔ)色。如紅與青、綠與品紅、藍(lán)與黃都是互補(bǔ)色。任何兩個(gè)互補(bǔ)色相混合可以得出兩色中間的混合色。如400nm紫色和700nm紅色相混合,產(chǎn)生的紫紅色系列是光譜上沒有的顏色。中間色的色調(diào)決定于兩種顏色的比例大小,并偏向比例大的顏色。中間色的彩度決定于兩者在紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫色等這種色調(diào)順序上的遠(yuǎn)近,兩者相距愈近,彩度越大,反之彩度越小。表觀顏色相同的色光,不管它的光譜組成是否一樣,在顏色相加混合中具有相同的效果。根據(jù)格拉斯曼定律(代替律):顏色A+顏色C=顏色B+顏色D(如果A=B,C=D)混合色的總亮度等于組成混合色的各顏色光度的總和。染料和涂料類的物體顏色混合以及不同顏色濾光體的組合,屬于顏色的減法混合。在減法混合中,為獲得較多的混合色,應(yīng)控制紅、綠、藍(lán)三色,為此,采用紅、綠、藍(lán)三色的補(bǔ)色,即青、品紅、黃三個(gè)減法原色。青色吸收光譜中紅色部分,反射或透射其他波長的光輻射,稱為“減紅”原色,是控制紅色用的。品紅色吸收光譜中綠色部分,是控制綠色的,稱為“減綠”原色,黃色吸收光譜中藍(lán)色部分,是控制藍(lán)色的,稱為“減藍(lán)”原色。當(dāng)兩個(gè)濾光體重疊或兩種顏料混合時(shí),相減混合得到的顏色比原有顏色暗一些。如果將品紅、青、黃三種減法原色按適當(dāng)比例混在一起,則可使彩色全被減掉而呈現(xiàn)黑色。1.2彩色感知產(chǎn)品為了精確地規(guī)定顏色,建立了定量的表色系統(tǒng),表色系統(tǒng)有兩大類:一是用光的等色實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)的,由進(jìn)入人眼能引起有彩色和無彩色感覺的可見光輻射表示的體系,即以色刺激表示的體系,CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)就是這種體系的代表,二是建立在對表面顏色直接評價(jià)基礎(chǔ)上,用構(gòu)成等感覺指標(biāo)的顏色圖冊表示體系,如孟塞爾表色系統(tǒng)等。1.2.1變色度圖的生成根據(jù)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值,可按下列三式求出匹配任何一種顏色的三刺激值X、Y、Z。X=kΣ?(λ)xˉ(λ)ΔλY=kΣ?(λ)yˉ(λ)ΔλZ=kΣ?(λ)zˉ(λ)ΔλX=kΣ?(λ)xˉ(λ)ΔλY=kΣ?(λ)yˉ(λ)ΔλΖ=kΣ?(λ)zˉ(λ)Δλ式中?(λ)是顏色刺激函數(shù),在計(jì)算光源色時(shí)有?(λ)=S(λ);S(λ)是光源的相對光譜功率分布;k是調(diào)整因數(shù),它是將y值調(diào)整為100時(shí)得出的,即k=100/Σ?(λ)yˉ(λ)Δ(λ)k=100/Σ?(λ)yˉ(λ)Δ(λ)式中xˉ(λ)xˉ(λ)、yˉ(λ)yˉ(λ)、zˉ(λ)zˉ(λ)是標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值,可在表中按波長間隔Δλ(nm)查得。顏色的色度坐標(biāo)(或稱色品坐標(biāo))就是每一刺激值與三刺激值之和的比值,分別為x、y、z表示。x=XX+Y+Zy=YX+Y+Zz=ZX+Y+Zx=XX+Y+Ζy=YX+Y+Ζz=ΖX+Y+Ζ因x+y+z=1,所以一般只引用兩個(gè)色度坐標(biāo),通常是x、y,大體上講,x、y、z是[x]、[y]、[z]刺激的分量,與紅、綠、藍(lán)有關(guān),相當(dāng)于紅、綠、藍(lán)原色比例。CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)繪制的色度圖,是根據(jù)顏色混合原理繪制的,它用匹配某一顏色三原色比例來規(guī)定這一顏色,并在圖上標(biāo)注了相應(yīng)顏色名稱,圖中馬蹄形曲線表示單一波長的可見光譜軌跡,標(biāo)注了相應(yīng)的波長(nm)。把可見光譜軌跡上沒有的由紫到紅的顏色,即所有真實(shí)的顏色都包含在可見光譜軌跡和紫紅軌跡為邊界的面積之內(nèi)。色度圖準(zhǔn)確地表示了顏色視覺的基本規(guī)律和顏色混合的一般規(guī)律。圖中可見光譜軌跡上光譜色彩度最高,一種顏色的坐標(biāo)點(diǎn)距可見光譜軌跡越近,它的彩度越高,顏色越純,如距E點(diǎn)(白點(diǎn))越近,則彩度越低,顏色越淡。某一顏色的坐標(biāo)點(diǎn)與E點(diǎn)連接并延長至可見光譜軌跡上得兩交點(diǎn),兩交點(diǎn)就是互補(bǔ)色的波長。1.2.2賦予一定的標(biāo)記采用顏色圖冊來表示,用孟塞爾色立體模型所規(guī)定的色相、明度和彩度來表示物體色的表色系統(tǒng)。在色立體模型中,每一部位各代表一個(gè)特定顏色并給予一定的標(biāo)號(hào)。這是用表示色的心理屬性按視知覺上的等距指標(biāo)排列起來進(jìn)行顏色分類和標(biāo)定的,它是目前國際上通用的物體色的表色系統(tǒng)。孟塞爾表色系統(tǒng)和CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色系統(tǒng)可以相互轉(zhuǎn)化,即可以根據(jù)不同明度值的CIE1931年色度圖繪制的恒定色相恒定彩度軌跡,將孟塞爾標(biāo)號(hào)的色樣通過內(nèi)插法換算成X、Y色度坐標(biāo)。反之亦行,但這種相互轉(zhuǎn)化只有對應(yīng)著一定的測試條件(照明光源,觀測環(huán)境)才能成立。1.3非線性勻色距離的確定把人眼感覺不出顏色變化的范圍稱為顏色的寬容量。從麥克亞當(dāng)?shù)念伾珯E圓形寬容量范圍可看出,例如,藍(lán)色部分寬容量最小,綠色部分最大,也就是說,在CIE1931色度圖藍(lán)色部分人眼能看出更多數(shù)量的各種藍(lán)色,而在綠色部分的同樣空間內(nèi),只能看出較少數(shù)量的各種綠色。線性勻色坐標(biāo)制,CIE1960均勻色度圖:橫坐標(biāo)為u,縱坐標(biāo)為v,并可由CIE1931色度圖的x、y坐標(biāo)換算得到:u=4x?2x+12y+3v=6y?2x+12y+3u=4x-2x+12y+3v=6y-2x+12y+3或由三刺激值X、Y、Z求得。u=4XX+12Y+3Zv=6YX+15Y+3Zu=4XX+12Y+3Ζv=6YX+15Y+3ΖCIE1976均勻色空間,為進(jìn)一步統(tǒng)一評價(jià)顏色差別方法,使色差公式更適合當(dāng)前常規(guī)觀察條件,CIE推薦了兩個(gè)顏色空間及相應(yīng)的色差公式,這也是我國建議使用的公式,分別稱為CIE1976L*u*v*色空間和CIE1976L*a*b*色空間。非線性勻色坐標(biāo)空間,在亞當(dāng)斯非線性勻色坐標(biāo)制中,兩種不同顏色的分辯力公式為:+[0.4Δ(Vz?Vy)]2}12+[0.4Δ(Vz-Vy)]2}12據(jù)研究表明,當(dāng)顏色亮度在2～3cd/m2以上時(shí),可提高顏色分辯力,但太大的亮度對辨色沒有必要。一般而言,顏色分辯力大小不但與被測色光的色度有關(guān),也與它的亮度有關(guān),顏色分辯力大小還與背景有關(guān)。1.4處理后的光照顯色性對輻射既不反射也不透射的全輻射體,(黑體)其表面按單位面積輻射的光譜功率大小及其分布完全取決于它的溫度,當(dāng)黑體連續(xù)加熱時(shí),它的相對光譜功率分布的最大值將向短波方向移動(dòng),相應(yīng)的光色將按順序紅→黃→白→藍(lán)的方向變化。黑體溫度在800～900K時(shí),光色為紅色,3000K時(shí)為黃白色,5000K時(shí)呈白色,8000～10000K之間為淡藍(lán)色。不同溫度下對應(yīng)的光色變化在CIE1931色度圖上形成弧形軌跡,叫黑體軌跡或稱為普朗克軌跡。由于溫度的黑體輻射對應(yīng)著一定的光色,用黑體加熱到不同溫度時(shí)所發(fā)出的不同光色來表示光源的顏色。通常把某一種光源的色度與某一溫度下的黑體的色度相同時(shí)黑體的溫度稱作為光源的顏色溫度,即色溫(Tc),如,某一光源的顏色與黑體加熱到絕對溫度3000K時(shí)發(fā)生的光色相同,該光源的色溫是3000K,在色度圖上的色坐標(biāo)為x=0.437,y=0.404,這一點(diǎn)正好落在黑體軌跡上。通常把某一種光源的色度與某一溫度下的黑體的色度與某一溫度下的黑體色度最接近時(shí)的黑體溫度稱為相關(guān)色溫(TCP)。光源的顯色性指的是參考標(biāo)準(zhǔn)光源相比較時(shí),光源顯現(xiàn)物體顏色的特性,光源的顯色性主要取決于光源的光譜功率分布。除連續(xù)光譜光源顯色性好外,幾個(gè)特定波長的色光組成的光源也有很好的顯色效果。如450nm、540nm、610nm輻射。用這三種波長輻射以適當(dāng)比例混合的白光,(高度不連續(xù)光譜)也有良好顯色性。顯色性用顯色指數(shù)來度量,并用一般顯色指數(shù)(Ra)和特殊顯色指數(shù)(Ri)表示。光源對某一選定的標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的顯色指數(shù)稱為特殊顯色指數(shù),光源對CIE規(guī)定的8種顏色的特殊顯色指數(shù)的平均值則稱為一般顯色指數(shù)。即1-8號(hào)CIE顏色樣品顯色指數(shù)的算術(shù)平均值即:Ra=18Σi=18RiRa=18Σi=18Ri,最大值為100,100～80內(nèi)為優(yōu)良,79～50內(nèi)為一般,小于50較差。另外,色位移方向、視覺的色適應(yīng)也會(huì)影響顯色性的評價(jià)。采用兩種以上光源共同照明的方式稱混光照明。視覺心理研究表明,照度相同時(shí),顯色性好的光源比差的光源在感覺上要亮些。選擇混光組成時(shí),既要考慮顯色指數(shù)大小,又要考慮在特定環(huán)境下光源使物體顏色感覺偏離的方向以及視覺對象不同。2視覺色光對心理的影響不同我們知道在日常生活中觀察的顏色,很大程度上受心理因素的影響,形成心理顏色視覺。在色度學(xué)中,顏色的命名是三刺激值:X、Y、Z主波長、亮度、純度等,但一些通俗的表達(dá)形象(即心理顏色),如桃紅、金黃、鮮度、明暗等,大家都熟悉,使用方便。將這些名稱進(jìn)行歸納分組,雖然彼此含義不完全相同,但在判斷顏色時(shí),色調(diào)、明度、彩度也是三個(gè)變數(shù),大致和色度學(xué)中三個(gè)變數(shù)相對應(yīng),主波長對應(yīng)色調(diào),亮度對應(yīng)明度、純度對應(yīng)彩度。心理顏色視覺的名稱雖然和色度學(xué)中的幾個(gè)物理量相對應(yīng),但它們之間有許多不同的特性。例如,色度學(xué)中的純度分為刺激純和色度純兩種,認(rèn)為白光的純度為零,一切單色光的純度均為1。色度純的定義是:色光中所含單色光的比例,表示某顏色與某中性色或白光的接近程度。但心理顏色視覺在分辨色光與中性色的區(qū)別,即認(rèn)為各個(gè)單色光的純度并不一樣。同樣的單色光,黃、綠和白光的差別不大,紅、藍(lán)和白光的差別就大,所以在心理上認(rèn)為,黃色光盡管也是單色光,但純度卻比藍(lán)色光低些,這些心理上的顏色與白光的差別,通常稱為飽和度,以區(qū)別于色度學(xué)上的純度。心理上的亮度又可分為兩種,一種是聯(lián)系到物體,另一種是從光度出發(fā)。后一種與色度學(xué)更接近,用麥克斯韋視域或透過一個(gè)小孔觀察物體的表面光來實(shí)現(xiàn)。這時(shí),觀察者看不見物體的表面,無法聯(lián)系到具體的物體來判斷亮度,但它也與色度學(xué)中的亮度有差別。為了把物體表面光和光度學(xué)中的亮度分開,稱它為明度。心理顏色和色度學(xué)顏色的另一個(gè)區(qū)別,在于色度學(xué)所研究的是色光本身,而不涉及到研究的環(huán)境和觀察者在空間的位置,以及觀察角等因素。例如,色光的背景,在CIE制中是黑暗無色,并可以推想,既然色度學(xué)是比較兩種色光對網(wǎng)膜的刺激,不同的均勻背景只能引起整個(gè)刺激的差別,不全引起匹配上的差別,所以上述CIE色度學(xué)中其他均勻背景上匹配也一定成立,已證實(shí),不同背景并不改變匹配數(shù)值,否則,色度學(xué)的應(yīng)用范圍就很窄。同樣的背景刺激會(huì)引起不同的匹配,但在心理顏色視覺上,為背景改變時(shí),許多心理作用如顏色分辨力、色調(diào)、飽和度、亮度等都是改變的,因此,在色度學(xué)研究中,可以將背景影響分開另行考慮,而在心理顏色視覺上卻不能這樣分開。在混光方面,心理顏色視覺和色度學(xué)也不同,當(dāng)看到橙色時(shí),會(huì)感到它是紅與黃的混合,看到紫紅色時(shí),會(huì)感到是藍(lán)與紅的混合,綠藍(lán)是藍(lán)與綠的混合等。但看到黃色時(shí),卻不會(huì)感到黃可由紅和綠色混合而成,在心理顏色視覺上一切色彩好象都可以從紅、黃、綠、藍(lán)、白、黑等六種基本色光混合得出,而這些基本色光的任意一種卻好象不能由其他顏色混合出來。一般覺得顏色有紅中帶黃的橙,綠中帶藍(lán)的青綠,綠中帶黃的草綠,紅中帶藍(lán)的紫,卻沒有黃中帶藍(lán)或紅中帶綠的顏色,因此,在心理上把色彩分為紅、黃、藍(lán)并稱為源色。任何人都不會(huì)感覺白色可從這三原色中混合出來,所以紅黃藍(lán)白成為心理顏色視覺上的四種基本感覺(紅黃藍(lán)三色可調(diào)配出視覺上的黑感覺)。色度學(xué)中視覺的大小對匹配有影響,錐體細(xì)胞分布不同,引起大小視野的色度學(xué)有些不同,但它與色光和四周物體聯(lián)系在一起的情況不同,在日常生活中看到的不只是光,而是光和物,不只是單一色光,而是與其他許多光夾雜在一起的色光,構(gòu)成其復(fù)雜性。3顏色的物理、心理和生理特征3.1明度、彩度溫度感:顏色不同、人們的溫度感覺也不同,傾向于紅、橙、黃等的為暖色;傾向于藍(lán)、綠、青等為冷色;黑白灰為中性色,溫度也與明度、彩度有關(guān)。大小感:顏色大小與明度、色調(diào)相關(guān)。物體顏色越明亮,感覺越大。暖色物體比冷色物體感覺大。遠(yuǎn)近感:顏色遠(yuǎn)近感與色調(diào)明度有關(guān),暖色有近感、冷色有遠(yuǎn)感、明度高有近感、明度低有遠(yuǎn)感。輕重感:主要由明度大小決定,以5～6為中心,小于的有重感,大于的有輕感,色調(diào)也有關(guān)系。黑、褐、深暖、紅、橙、紫、綠、藍(lán)、黃、白的次序感覺趨于輕。3.2下特性:綠色,約束滿棉不同年齡、性別、民族、職業(yè)、文化修養(yǎng)、生活環(huán)境不同,對色的愛好不一致,引起的心理效應(yīng)也不同,但一般而言有如下特性:●情感性:紅色、橙色有熱情、活躍、收獲甜美等感覺,也有煩燥感;黃色、紫色有高貴、華麗感;綠色有青春、生命、寧靜、清新感;藍(lán)色有深沉、遠(yuǎn)大、寬闊、冷漠感;白色有圣潔、清潔、光明、哀憐、殘酷感;黑色有莊嚴(yán)肅穆、堅(jiān)實(shí)、黑暗、罪惡感?！裼洃?、聯(lián)想象征性:藍(lán)色想到大海、天空;白色想到白云;紅色想到火、血、消防;橙色想到豐收、美味甜味等等。3.3暖色對視覺器官的影響一是對視覺器官及視神經(jīng)、大腦皮層等的傳遞功能和生理感受;二是對人脈搏、心率、血壓的影響。對視覺器官本身的影響有:色的誘同性、辨認(rèn)性、可認(rèn)性、可讀性、對比性、適應(yīng)性、色覺恒常和后象。暖色使心率、脈搏加快,血壓上升,情緒激動(dòng),增加食欲、刺激神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)。冷色有鎮(zhèn)靜、緩解緊張情緒,抑制心血管作用。4色彩與燈光色。據(jù)說,有以下幾種主要由于物體表面的顏色取決于入射光的光譜組成和物體吸收光譜的程度。同時(shí),入射光的光色也極大地影響著物體的表面色彩和環(huán)境氣氛,也左右著人們的心理狀態(tài)和生理功能的發(fā)揮和平衡。建筑空間顏色在不同光色下會(huì)產(chǎn)生不同的效果和作用。光色的冷暖感覺與視覺、視覺心理有關(guān),光色的舒適與色溫、照度、色差有關(guān),同時(shí),光源的顯色性又與空間功能有關(guān)等等,如何正確地運(yùn)用光色來塑造建筑空間非常重要?？臻g顏色上,我們常常從冷暖上來考慮它與人的視覺心理關(guān)系。應(yīng)該說這與自然氣候?qū)θ擞兄卮笥绊懹嘘P(guān)。暖色的溫暖感產(chǎn)生的熱情暗示,常被人們使用在住宅內(nèi)部和需要造成親切、溫馨的環(huán)境。但是,暖色是指所有含有紅、橙、黃等類的顏色,這些顏色的彩度、明度在運(yùn)用中使用的量不同,產(chǎn)生的作用效果也會(huì)完全不一樣。紅色能刺激人神經(jīng)系統(tǒng),加速血液循環(huán),增加腎上腺素的分泌。實(shí)驗(yàn)表明,有的人在紅色環(huán)境中脈搏次數(shù)和血壓增加17%,時(shí)間一長會(huì)有筋疲力盡的感覺。橙色過量產(chǎn)生過于興奮使人情緒沖動(dòng)。黃色過度也使人情緒不穩(wěn),引起行為的任意性。另外,光色對人視覺心理影響與照度、色溫有關(guān),照度低時(shí),舒適的光色是近于火焰的低色溫光色,在中等照度下,舒適的光色是近于黃昏和黎明時(shí)的色溫光色,在高照度下,舒適的光色是近于中午的陽光或偏藍(lán)的高色溫天空光色。將光色按溫度高低分為冷色(8000～10000K),中色(4000～5000K),暖色(800～3000K)。因此,除了在室內(nèi)的天、墻、地、家俱、飾物等根據(jù)功能確定顏色外,也要根據(jù)光色特性確定光源的選擇。如暖色光源用于就餐、旅館、居室,中色光源適用于醫(yī)院、學(xué)校、商店等民用建筑內(nèi)部。但是顯色性取決于光源的光譜功率分布,如就餐功能方面,熒光燈是連續(xù)光譜,顯色性較好,能讓人較準(zhǔn)確看清就餐的環(huán)境衛(wèi)生等,但普遍使用的熒光燈是冷光源,沒有就餐的溫馨感。如波長580nm(橙偏黃光)的輻射,顯色性不理想,用在就餐處雖然對衛(wèi)生狀況等看清程度不如熒光燈,但它是暖色,有溫暖感,適合就餐環(huán)境。在照度很低時(shí),物體表面不論是什么色調(diào)看上去都偏藍(lán)色,如果使用暖色光源,照度提高后增加物體色的鮮艷度。但過高的照度也會(huì)減弱表面色的知覺,將顏色沖淡,因?yàn)檎斩群芨邥r(shí),物體表面幾乎近于發(fā)光面,若物體高度顯著超過它的背景亮度時(shí),它的主觀彩度降低。因此,在就餐空間室內(nèi)環(huán)境色彩與燈光色的選擇時(shí),如餐室選用淡藍(lán)白色為基調(diào),