1.1 物體的顏色

1.1.1 光與顏色

對于“蘋果”和“皮鞋”等這樣的物體顏色，是物體反射的照明光進入眼睛后的視覺效果，也就是說是反射光的視覺特征。因此，物體的顏色實質上是反射光的顏色特征，光與顏色的關系就成為一個首先需要認識的問題。

在物理學范疇，光被描述為具有“波粒二象性”。

從波動性這一角度來說，光的本質即為電磁波，具有振幅、波長，以及頻率等屬性。不同的光具有不同的波動屬性。在真空中，只有波長在380～780nm范圍內的電磁波才能對人的眼睛產生刺激，且對不同波長的光波，人眼感覺為不同的顏色。從長波端的紅色，經橙、黃、綠，再到青、藍和短波端的紫，我們稱之為可見光譜，也簡單地稱為光。圖1-1所示，給出了能夠引起人眼刺激的不同波長的電磁波，在人眼看來具有不同的顏色。

在可見光波長范圍內，人眼對相鄰波長等間隔波長差的光波的顏色差異感覺是不同的，人眼對490nm的青綠色光和590nm的橙黃色光比較敏感，1～2nm的改變便有不同的顏色感覺。人眼對可見光范圍的兩端的顏色相對不敏感。此外，同一波長的色光，當光強變化時，眼睛通常感覺其顏色也隨之改變，只有572nm的黃、503nm的綠和478nm的藍三個色光的顏色較為恒定。在正常照明條件下，人眼能夠分辨光譜中大約150種顏色，以及光譜外的品紅色30余種，共約180種。

特別強調的是，與波長、頻率等波動屬性不同，顏色不是光的本征屬性，是需要借助外界因素（如人的眼睛）而體現出來的特征。動物的顏色視覺與人類不一定相同，如貓、狗等根本沒有顏色感覺，這不在我們關注之列。

因此，只限于我們人類的視覺可以認為，不同（波長）的光具有不同的顏色，光的波長與顏色具有一對一的對應關系。

既然光的顏色感覺直接與光之外的因素相關，這就難免出現這樣的問題：在其他外界因素下，如數字相機、掃描儀等儀器設備，又是如何“感知”光波的呢？可以肯定的是，它們與人眼的感知過程和性質是不同的，我們必須有針對性地給予考慮和進行技術處理。比如在攝影和印刷業，通常只關心可見光，但有時也應注意剛剛超出可見光范圍的那一部分光譜成分。

比可見光長波端稍長的部分為紅外波段，也稱紅外線（IR），常給數字相機制造麻煩，因為數字相機中感光的CCD（charge-coupled-device，電荷耦合器件）對紅外線非常敏感，本希望模擬人眼的感光過程，卻感應了人眼不能感知的紅外線。因此，大多數數字相機都會在CCD芯片或鏡頭前安裝IR濾色片，以消除入射光波中的紅外線。

在可見光譜的另一端，即短波端，剛剛超出的部分為紫外線（UV）區域，有時這部分“光線”也需引起關注。例如，在紙張和油墨中，常添加UV增白劑來增強紙張的白度和提高油墨的光亮度。其作用機理是UV增白劑吸收紫外線，而將其能量轉換為藍色區域的光輻射出來。

1.1.2 光源的光譜特性和顏色

所謂光源，即以可見光為主要成分的物理輻射體。

光源的種類很多，一般將其分為兩大類：自然光源和人造光源。自然光源和人造光源大多是復色光，通常其中各單色光的能量比例是不同的，即復色光的輻射能量隨波長而變化。將這種輻射能量隨波長變化的函數關系稱為光源的光譜功率（能量）分布。圖1-2為幾種典型的光譜功率分布。

圖1-2（a）稱為線狀光譜，它由若干條明顯分隔的細線組成，如低壓鈉燈發出的光線就是由波長為589.0nm和589.6nm的兩條黃色光線構成的。圖1-2（b）稱為帶狀光譜，由一些分開的譜帶構成，每個譜帶又包含許多緊靠的譜線，如碳弧和高壓汞燈就屬于這種分布。圖1-2（c）稱為連續光譜，它包含一定范圍內所有波長的輻射譜線，且能量隨波長平滑變化。所有熱輻射光源都屬于這種情況，如日光和白熾燈光等，這是光源中常見的一種分布。圖1-2（d）稱為混合光譜，是前述光譜的組合，日常生活中常用的熒光燈就屬于這種分布。

光源所發光中，各種波長和強度的單一光譜都對人眼形成一定的顏色視覺，而所有這些各自的顏色視覺綜合在一起（當然人眼的視覺神經及大腦具有這種綜合功能），便是這個光源給人的顏色感覺，即光源光的顏色。

不同的光源之所以看上去顏色不同，如白熾燈看上去比熒光燈偏紅，其根本原因就在于它們的光譜功率分布不同。反過來可以講，光源的光譜功率分布決定了它的顏色。

在人眼視覺感知的前提下，研究光源的顏色問題就成為研究其光譜功率分布的問題。

但在色度學研究中，主要關心的是光譜功率分布的相對值而不是絕對值。通常用相對光譜功率分布（簡稱相對能量）表示光源的光譜能量與波長間的關系。

圖1-3為常見光源的光譜能量分布曲線。白熾燈在長波的紅色段相對輻射能量高，因而看上去顏色偏紅；而熒光燈在藍、綠色波段相對輻射能量較高，紅色波段的相對輻射能量較低，因而看上去呈藍白；日光光譜則相對比較均衡，在可見光范圍內能量起伏不大。

日光的光譜沒有人造光源穩定，不同氣候下、不同時間，它的相對光譜功率分布曲線的形狀是不同的，如圖1-4所示。這就是為什么早晚看到的是紅霞，正午看到的是通常所說的白光。

由于無光就無色，又由于一般的物體本身并不發光，所以，光源的光不僅形成自身的顏色，而且也是不發光的透射和反射物體透射或反射光的源泉。照明光源中沒有的光譜，物體透射或反射的光中就一定缺失這種光譜及其顏色成分。因此，光源的光譜能量特性對其他物體顏色的形成也具有重要的作用。

在色彩管理技術中，光源（光譜能量分布）的選擇成為確定顏色的首要問題。

1.1.3 物體的光譜特性和顏色的形成

從上兩節內容已經知道，顏色的形成是光線對人眼（和大腦）作用的結果，無光就無色。本身不發光的物體的顏色也必定是在光的參與下由光所形成的，事實上是物體透射或反射的光所形成的。透明物體透射光的顏色即是透明物體的顏色，不透明物體反射光的顏色即是不透明物體的顏色。

從物理現象看，當光照到物體表面后將會發生四種主要的作用：光在物體的第一表面的鏡面反射，也稱規則反射（產生光澤）；光在物體材料內部的散射，產生漫反射和漫透射；光在物體材料內部的被吸收；光直接透過物體的規則透射（產生物體的透明度）。不同的物體與光線的這四種作用程度不同。例如，金屬表面主要產生鏡面反射光，有明顯的反射光譜選擇性，因而看上去該金屬表面具有一定的顏色。如金和銀，看上去具有不同的顏色，又都有很強的鏡面反射光，習慣上稱其為金屬光澤。不透明的非金屬表面則主要產生漫反射光，且具有自己的選擇吸收性，表現為反射光中只有入射照明光中的某些波長成分，看起來具有與入射光不同的顏色。如紅色的衣服，是因為衣服材料主要反射了照明光中的長波段光譜；黃色的桌面，是因為桌子表面材料吸收了照明光中的藍光成分，剩余的反射光綜合感覺為黃色。

因此，除了照射光的特性（光譜能量分布）外，物體本身的光譜吸收、反射、透射特性也是其形成顏色的一個重要因素。

對于物體表面對光的反射，只有鏡面反射和完全漫反射（各個反射方向具有相同的輻亮度，稱為朗伯表面）的極端情況是極少的，絕大多數情況界于兩者之間，其反射光強如圖1-5所示。

在顏色定量研究技術中，常關心光反射的兩個概念：

1．光譜反射比（spectral reflectance）ρ（λ）

在波長為λ的光照射下，物體反射的光通量φp（λ）與入射的光通量φi（λ）之比。公式表示為：

2．光譜反射因數（spectral reflectance factor）β（λ）

在規定的照明條件下，在規定方向的立體角內，從物體反射的波長為λ的光譜輻通量φS（λ），與在相同條件下，從完全漫反射體反射的波長為λ的光譜輻通量φn（λ）之比。公式表示為：

在給定的立體角ω接近2π時，測得的光譜反射因數β（λ）即為光譜反射比ρ（λ）。

國際照明委員會（CIE）推薦用完全漫反射體作為測量光譜反射因數的標準。實際中不存在理想的完全漫反射材料，但能找到近似的材料，如煙熏氧化鎂、硫酸鋇噴涂或壓粉。它們具有高的光譜反射比，接近完全漫反射體的特性，常用來作為工作標準。

圖1-6給出了常作為工作標準白板材料的光譜反射比曲線，為相對于氧化鎂的測量結果。

有了工作標準的光譜反射特性曲線，可以測量計算出物體的光譜反射特性，可用于一定光照下物體顏色數值的計算。

顏色復制中，膚色的準確再現非常重要。因而，人類皮膚的光譜反射特性的測定和研究對現代彩色電視、彩色攝影、印刷、照明等行業的顏色再現具有非常重要的意義。光源開發、廣播電視、電影等部門，以及彩色攝影材料和設備的生產廠家都測定了大量各種人種的膚色，定出了標準的膚色反射特性曲線，作為上述各行業檢驗顏色再現質量的標準。

圖1-7為三種膚色的平均光譜反射比曲線。其中，淺色人種的膚色白，對光的反射比高；深色人種的膚色對光的反射比較低；棕色人種的膚色則反射比介于兩者之間。但膚色對光反射的共同特點是：在短波范圍內反射比均比較低，隨著波長的增大反射比逐步升高，在波長550～600nm范圍內均有一個陡升。

有些材料在不同的方向上具有不同光譜反射因數，如圖1-8所示。在照明光不變的情況下，從不同的角度看物體會有不同的顏色。

還有一種材料為熒光材料。它與上述材料不同，除了反射、吸收、散射和透射外，它還能將吸收的一定波長的光，轉化為其他波長的光向各個方向發射出去。熒光增白劑（FWAs）吸收波長在300～400nm的紫外輻射，然后以400～500nm內以可見光的形式發射出去，如圖1-9所示。這樣的白紙看上去會比光源的光色偏藍。在顏色測量技術中，針對這種加有熒光增白劑的情況，需要給予特別的技術處理。

對于透射材料也定義有類似的光譜透射特性量，反映的是物體的光譜透射特性，也是其在光照下顏色形成的重要決定因素。

從物理成因的角度看（非發光）物體的顏色，可以概括為：顏色不是物體的固有屬性，但物體的光譜反射和光譜透射特性是由其自身性能決定的，是其本征屬性。同一光源下，不同的物體呈現不同顏色的原因是它們的光譜反射或光譜透射特性不同。

物體顏色研究和測量的落腳點落在了物體光譜特性的研究和測量上。

需要說明的是，至此所討論的光源顏色、物體顏色的成因和形成，具有一個默認的前提，即光源發出的光和物體透射、反射的光是在人眼的感知下形成的。