色度学的空间光色学

色度学的空间光色学

颜色与人们的生活密切相关。随着科技的发展,从理论到实践,颜色的研究、运用已成为非常重要的内容。色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量的理论与技术的科学,颜色就是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性。当颜色光射入正常眼后,汇聚在视网膜上,刺激感光细胞,最后以电脉冲形式传入大脑皮层,产生颜色感觉。颜色是影响光环境质量的要素,也对人的生理和心理活动产生影响,对视觉空间光色进行研究,将有利于颜色在生产、生活实践中的科学运用。1颜色的空间类型1.1色度学中的彩度与变色颜色分为光源色和物体色,光源是能发光的物理辐射体,光源色是由光源发射的光的颜色,光被物体反射或透射后的颜色称为物体色。物体色不仅与光源的光谱能量分布有关,还与物体的光谱反射系数或光谱透射系数分布相关。颜色有无彩色和有彩色之分,无彩色是指从白到黑的一系列中性灰色。有彩色是指白黑系列以外的各种颜色。根据色的心理概念,任何一种有彩色的表观颜色,均可按三种独立的属性分别描述,这就是色相、明度、彩度。色相是各彩色彼此相互区别的视感觉的特性。物体的色相取决于光源的光谱组成和物体反射(透射)的各波长光辐射比例对人产生的视感觉。明度是颜色相对明暗的视感觉的特性。彩度是用距离等明度无彩点的视知觉特性来表示物体表面颜色的浓淡,即彩度指的是彩色的纯洁性。由色度学中的颜色视觉实验确定,任何色光均可用不超过三种纯光谱波长的光来正确模拟。通过红、绿、蓝三种颜色可以获得最多的混合色。色度学中将红(700nm)、绿______(546.1nm)、蓝(435.8nm)三色称为光色的源色(这与物体颜色青、品红、黄色有区别)。颜色可以相互混合,颜色混合分为光源的颜色的相加混合和染料、涂料类的物体色的颜色光的减法混合。颜色光的相加混合规律是:每一种颜色都有一个相应的补色。如红与青、绿与品红、蓝与黄都是互补色。任何两个互补色相混合可以得出两色中间的混合色。如400nm紫色和700nm红色相混合,产生的紫红色系列是光谱上没有的颜色。中间色的色调决定于两种颜色的比例大小,并偏向比例大的颜色。中间色的彩度决定于两者在红、橙、黄、绿、蓝、紫色等这种色调顺序上的远近,两者相距愈近,彩度越大,反之彩度越小。表观颜色相同的色光,不管它的光谱组成是否一样,在颜色相加混合中具有相同的效果。根据格拉斯曼定律(代替律):颜色A+颜色C=颜色B+颜色D(如果A=B,C=D)混合色的总亮度等于组成混合色的各颜色光度的总和。染料和涂料类的物体颜色混合以及不同颜色滤光体的组合,属于颜色的减法混合。在减法混合中,为获得较多的混合色,应控制红、绿、蓝三色,为此,采用红、绿、蓝三色的补色,即青、品红、黄三个减法原色。青色吸收光谱中红色部分,反射或透射其他波长的光辐射,称为“减红”原色,是控制红色用的。品红色吸收光谱中绿色部分,是控制绿色的,称为“减绿”原色,黄色吸收光谱中蓝色部分,是控制蓝色的,称为“减蓝”原色。当两个滤光体重叠或两种颜料混合时,相减混合得到的颜色比原有颜色暗一些。如果将品红、青、黄三种减法原色按适当比例混在一起,则可使彩色全被减掉而呈现黑色。1.2彩色感知产品为了精确地规定颜色,建立了定量的表色系统,表色系统有两大类:一是用光的等色实验结果为依据的,由进入人眼能引起有彩色和无彩色感觉的可见光辐射表示的体系,即以色刺激表示的体系,CIE1931标准色度系统就是这种体系的代表,二是建立在对表面颜色直接评价基础上,用构成等感觉指标的颜色图册表示体系,如孟塞尔表色系统等。1.2.1变色度图的生成根据CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值,可按下列三式求出匹配任何一种颜色的三刺激值X、Y、Z。X=kΣϕ(λ)x¯(λ)ΔλY=kΣϕ(λ)y¯(λ)ΔλZ=kΣϕ(λ)z¯(λ)ΔλX=kΣϕ(λ)x¯(λ)ΔλY=kΣϕ(λ)y¯(λ)ΔλΖ=kΣϕ(λ)z¯(λ)Δλ式中ϕ(λ)是颜色刺激函数,在计算光源色时有ϕ(λ)=S(λ);S(λ)是光源的相对光谱功率分布;k是调整因数,它是将y值调整为100时得出的,即k=100/Σϕ(λ)y¯(λ)Δ(λ)k=100/Σϕ(λ)y¯(λ)Δ(λ)式中x¯(λ)x¯(λ)、y¯(λ)y¯(λ)、z¯(λ)z¯(λ)是标准色度观察者光谱三刺激值,可在表中按波长间隔Δλ(nm)查得。颜色的色度坐标(或称色品坐标)就是每一刺激值与三刺激值之和的比值,分别为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,所以一般只引用两个色度坐标,通常是x、y,大体上讲,x、y、z是[x]、[y]、[z]刺激的分量,与红、绿、蓝有关,相当于红、绿、蓝原色比例。CIE1931标准色度系统绘制的色度图,是根据颜色混合原理绘制的,它用匹配某一颜色三原色比例来规定这一颜色,并在图上标注了相应颜色名称,图中马蹄形曲线表示单一波长的可见光谱轨迹,标注了相应的波长(nm)。把可见光谱轨迹上没有的由紫到红的颜色,即所有真实的颜色都包含在可见光谱轨迹和紫红轨迹为边界的面积之内。色度图准确地表示了颜色视觉的基本规律和颜色混合的一般规律。图中可见光谱轨迹上光谱色彩度最高,一种颜色的坐标点距可见光谱轨迹越近,它的彩度越高,颜色越纯,如距E点(白点)越近,则彩度越低,颜色越淡。某一颜色的坐标点与E点连接并延长至可见光谱轨迹上得两交点,两交点就是互补色的波长。1.2.2赋予一定的标记采用颜色图册来表示,用孟塞尔色立体模型所规定的色相、明度和彩度来表示物体色的表色系统。在色立体模型中,每一部位各代表一个特定颜色并给予一定的标号。这是用表示色的心理属性按视知觉上的等距指标排列起来进行颜色分类和标定的,它是目前国际上通用的物体色的表色系统。孟塞尔表色系统和CIE1931标准色系统可以相互转化,即可以根据不同明度值的CIE1931年色度图绘制的恒定色相恒定彩度轨迹,将孟塞尔标号的色样通过内插法换算成X、Y色度坐标。反之亦行,但这种相互转化只有对应着一定的测试条件(照明光源,观测环境)才能成立。1.3非线性匀色距离的确定把人眼感觉不出颜色变化的范围称为颜色的宽容量。从麦克亚当的颜色椭圆形宽容量范围可看出,例如,蓝色部分宽容量最小,绿色部分最大,也就是说,在CIE1931色度图蓝色部分人眼能看出更多数量的各种蓝色,而在绿色部分的同样空间内,只能看出较少数量的各种绿色。线性匀色坐标制,CIE1960均匀色度图:横坐标为u,纵坐标为v,并可由CIE1931色度图的x、y坐标换算得到: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均匀色空间,为进一步统一评价颜色差别方法,使色差公式更适合当前常规观察条件,CIE推荐了两个颜色空间及相应的色差公式,这也是我国建议使用的公式,分别称为CIE1976L*u*v*色空间和CIE1976L*a*b*色空间。非线性匀色坐标空间,在亚当斯非线性匀色坐标制中,两种不同颜色的分辩力公式为:+[0.4Δ(Vz−Vy)]2}12+[0.4Δ(Vz-Vy)]2}12据研究表明,当颜色亮度在2～3cd/m2以上时,可提高颜色分辩力,但太大的亮度对辨色没有必要。一般而言,颜色分辩力大小不但与被测色光的色度有关,也与它的亮度有关,颜色分辩力大小还与背景有关。1.4处理后的光照显色性对辐射既不反射也不透射的全辐射体,(黑体)其表面按单位面积辐射的光谱功率大小及其分布完全取决于它的温度,当黑体连续加热时,它的相对光谱功率分布的最大值将向短波方向移动,相应的光色将按顺序红→黄→白→蓝的方向变化。黑体温度在800～900K时,光色为红色,3000K时为黄白色,5000K时呈白色,8000～10000K之间为淡蓝色。不同温度下对应的光色变化在CIE1931色度图上形成弧形轨迹,叫黑体轨迹或称为普朗克轨迹。由于温度的黑体辐射对应着一定的光色,用黑体加热到不同温度时所发出的不同光色来表示光源的颜色。通常把某一种光源的色度与某一温度下的黑体的色度相同时黑体的温度称作为光源的颜色温度,即色温(Tc),如,某一光源的颜色与黑体加热到绝对温度3000K时发生的光色相同,该光源的色温是3000K,在色度图上的色坐标为x=0.437,y=0.404,这一点正好落在黑体轨迹上。通常把某一种光源的色度与某一温度下的黑体的色度与某一温度下的黑体色度最接近时的黑体温度称为相关色温(TCP)。光源的显色性指的是参考标准光源相比较时,光源显现物体颜色的特性,光源的显色性主要取决于光源的光谱功率分布。除连续光谱光源显色性好外,几个特定波长的色光组成的光源也有很好的显色效果。如450nm、540nm、610nm辐射。用这三种波长辐射以适当比例混合的白光,(高度不连续光谱)也有良好显色性。显色性用显色指数来度量,并用一般显色指数(Ra)和特殊显色指数(Ri)表示。光源对某一选定的标准颜色样品的显色指数称为特殊显色指数,光源对CIE规定的8种颜色的特殊显色指数的平均值则称为一般显色指数。即1-8号CIE颜色样品显色指数的算术平均值即:Ra=18Σi=18RiRa=18Σi=18Ri,最大值为100,100～80内为优良,79～50内为一般,小于50较差。另外,色位移方向、视觉的色适应也会影响显色性的评价。采用两种以上光源共同照明的方式称混光照明。视觉心理研究表明,照度相同时,显色性好的光源比差的光源在感觉上要亮些。选择混光组成时,既要考虑显色指数大小,又要考虑在特定环境下光源使物体颜色感觉偏离的方向以及视觉对象不同。2视觉色光对心理的影响不同我们知道在日常生活中观察的颜色,很大程度上受心理因素的影响,形成心理颜色视觉。在色度学中,颜色的命名是三刺激值:X、Y、Z主波长、亮度、纯度等,但一些通俗的表达形象(即心理颜色),如桃红、金黄、鲜度、明暗等,大家都熟悉,使用方便。将这些名称进行归纳分组,虽然彼此含义不完全相同,但在判断颜色时,色调、明度、彩度也是三个变数,大致和色度学中三个变数相对应,主波长对应色调,亮度对应明度、纯度对应彩度。心理颜色视觉的名称虽然和色度学中的几个物理量相对应,但它们之间有许多不同的特性。例如,色度学中的纯度分为刺激纯和色度纯两种,认为白光的纯度为零,一切单色光的纯度均为1。色度纯的定义是:色光中所含单色光的比例,表示某颜色与某中性色或白光的接近程度。但心理颜色视觉在分辨色光与中性色的区别,即认为各个单色光的纯度并不一样。同样的单色光,黄、绿和白光的差别不大,红、蓝和白光的差别就大,所以在心理上认为,黄色光尽管也是单色光,但纯度却比蓝色光低些,这些心理上的颜色与白光的差别,通常称为饱和度,以区别于色度学上的纯度。心理上的亮度又可分为两种,一种是联系到物体,另一种是从光度出发。后一种与色度学更接近,用麦克斯韦视域或透过一个小孔观察物体的表面光来实现。这时,观察者看不见物体的表面,无法联系到具体的物体来判断亮度,但它也与色度学中的亮度有差别。为了把物体表面光和光度学中的亮度分开,称它为明度。心理颜色和色度学颜色的另一个区别,在于色度学所研究的是色光本身,而不涉及到研究的环境和观察者在空间的位置,以及观察角等因素。例如,色光的背景,在CIE制中是黑暗无色,并可以推想,既然色度学是比较两种色光对网膜的刺激,不同的均匀背景只能引起整个刺激的差别,不全引起匹配上的差别,所以上述CIE色度学中其他均匀背景上匹配也一定成立,已证实,不同背景并不改变匹配数值,否则,色度学的应用范围就很窄。同样的背景刺激会引起不同的匹配,但在心理颜色视觉上,为背景改变时,许多心理作用如颜色分辨力、色调、饱和度、亮度等都是改变的,因此,在色度学研究中,可以将背景影响分开另行考虑,而在心理颜色视觉上却不能这样分开。在混光方面,心理颜色视觉和色度学也不同,当看到橙色时,会感到它是红与黄的混合,看到紫红色时,会感到是蓝与红的混合,绿蓝是蓝与绿的混合等。但看到黄色时,却不会感到黄可由红和绿色混合而成,在心理颜色视觉上一切色彩好象都可以从红、黄、绿、蓝、白、黑等六种基本色光混合得出,而这些基本色光的任意一种却好象不能由其他颜色混合出来。一般觉得颜色有红中带黄的橙,绿中带蓝的青绿,绿中带黄的草绿,红中带蓝的紫,却没有黄中带蓝或红中带绿的颜色,因此,在心理上把色彩分为红、黄、蓝并称为源色。任何人都不会感觉白色可从这三原色中混合出来,所以红黄蓝白成为心理颜色视觉上的四种基本感觉(红黄蓝三色可调配出视觉上的黑感觉)。色度学中视觉的大小对匹配有影响,锥体细胞分布不同,引起大小视野的色度学有些不同,但它与色光和四周物体联系在一起的情况不同,在日常生活中看到的不只是光,而是光和物,不只是单一色光,而是与其他许多光夹杂在一起的色光,构成其复杂性。3颜色的物理、心理和生理特征3.1明度、彩度温度感:颜色不同、人们的温度感觉也不同,倾向于红、橙、黄等的为暖色;倾向于蓝、绿、青等为冷色;黑白灰为中性色,温度也与明度、彩度有关。大小感:颜色大小与明度、色调相关。物体颜色越明亮,感觉越大。暖色物体比冷色物体感觉大。远近感:颜色远近感与色调明度有关,暖色有近感、冷色有远感、明度高有近感、明度低有远感。轻重感:主要由明度大小决定,以5～6为中心,小于的有重感,大于的有轻感,色调也有关系。黑、褐、深暖、红、橙、紫、绿、蓝、黄、白的次序感觉趋于轻。3.2下特性:绿色,约束满棉不同年龄、性别、民族、职业、文化修养、生活环境不同,对色的爱好不一致,引起的心理效应也不同,但一般而言有如下特性:●情感性:红色、橙色有热情、活跃、收获甜美等感觉,也有烦燥感;黄色、紫色有高贵、华丽感;绿色有青春、生命、宁静、清新感;蓝色有深沉、远大、宽阔、冷漠感;白色有圣洁、清洁、光明、哀怜、残酷感;黑色有庄严肃穆、坚实、黑暗、罪恶感。●记忆、联想象征性:蓝色想到大海、天空;白色想到白云;红色想到火、血、消防;橙色想到丰收、美味甜味等等。3.3暖色对视觉器官的影响一是对视觉器官及视神经、大脑皮层等的传递功能和生理感受;二是对人脉搏、心率、血压的影响。对视觉器官本身的影响有:色的诱同性、辨认性、可认性、可读性、对比性、适应性、色觉恒常和后象。暖色使心率、脉搏加快,血压上升,情绪激动,增加食欲、刺激神经系统和消化系统。冷色有镇静、缓解紧张情绪,抑制心血管作用。4色彩与灯光色。据说,有以下几种主要由于物体表面的颜色取决于入射光的光谱组成和物体吸收光谱的程度。同时,入射光的光色也极大地影响着物体的表面色彩和环境气氛,也左右着人们的心理状态和生理功能的发挥和平衡。建筑空间颜色在不同光色下会产生不同的效果和作用。光色的冷暖感觉与视觉、视觉心理有关,光色的舒适与色温、照度、色差有关,同时,光源的显色性又与空间功能有关等等,如何正确地运用光色来塑造建筑空间非常重要。空间颜色上,我们常常从冷暖上来考虑它与人的视觉心理关系。应该说这与自然气候对人有重大影响有关。暖色的温暖感产生的热情暗示,常被人们使用在住宅内部和需要造成亲切、温馨的环境。但是,暖色是指所有含有红、橙、黄等类的颜色,这些颜色的彩度、明度在运用中使用的量不同,产生的作用效果也会完全不一样。红色能刺激人神经系统,加速血液循环,增加肾上腺素的分泌。实验表明,有的人在红色环境中脉搏次数和血压增加17%,时间一长会有筋疲力尽的感觉。橙色过量产生过于兴奋使人情绪冲动。黄色过度也使人情绪不稳,引起行为的任意性。另外,光色对人视觉心理影响与照度、色温有关,照度低时,舒适的光色是近于火焰的低色温光色,在中等照度下,舒适的光色是近于黄昏和黎明时的色温光色,在高照度下,舒适的光色是近于中午的阳光或偏蓝的高色温天空光色。将光色按温度高低分为冷色(8000～10000K),中色(4000～5000K),暖色(800～3000K)。因此,除了在室内的天、墙、地、家俱、饰物等根据功能确定颜色外,也要根据光色特性确定光源的选择。如暖色光源用于就餐、旅馆、居室,中色光源适用于医院、学校、商店等民用建筑内部。但是显色性取决于光源的光谱功率分布,如就餐功能方面,荧光灯是连续光谱,显色性较好,能让人较准确看清就餐的环境卫生等,但普遍使用的荧光灯是冷光源,没有就餐的温馨感。如波长580nm(橙偏黄光)的辐射,显色性不理想,用在就餐处虽然对卫生状况等看清程度不如荧光灯,但它是暖色,有温暖感,适合就餐环境。在照度很低时,物体表面不论是什么色调看上去都偏蓝色,如果使用暖色光源,照度提高后增加物体色的鲜艳度。但过高的照度也会减弱表面色的知觉,将颜色冲淡,因为照度很高时,物体表面几乎近于发光面,若物体高度显著超过它的背景亮度时,它的主观彩度降低。因此,在就餐空间室内环境色彩与灯光色的选择时,如餐室选用淡蓝白色为基调,