顏色-不是你想像的那樣

你們對顏色的第一印象是什麼？

是彩虹？

是顏料？

還是繪畫呢？

我要分享的關於顏色的一個核心概念——顏色三要素：物體，光源，觀察者。了解了顏色這三要素，就大概理解了顏色的基礎知識。

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什麼是顏色

電磁波

上圖所示的是不同波長的電磁波的命名。我們看到的光，也就是可見光，是一種電磁波，波長380nm~780nm，我們看到的顏色只是大腦為了區分不同波長的可見光的一種編碼而已。

可見光波長範圍雖然僅僅只有短短的三四百納米，都已經讓我們了解足夠多的信息了，能看到太多波長的電磁波，反而是一種負累：一方面消耗更多的能量來維持看到這些光譜的器官，另一方面接受太多的信息反而不能讓人類專註於當下。況且有時候就連可見光的顏色也是一種干擾，讓人類只關注於物體的顏色而忽略隱藏的圖形。

舉一個例子，體檢時醫生常常用下圖這類型的圖片來判斷你是否色盲。能看到裡面圖案的人視覺正常，否則就是色盲。這類測試也讓我們覺得色盲就是一種缺陷，因為他們看不到某些東西。

色盲真的是缺陷嗎？

色盲檢測卡

我再舉一個例子，下面這幅圖是我經常舉得例子，你們從這張圖看到什麼？如果是在現實生活中，色盲的人看到這幅圖第一反應就是躲起來，為什麼？因為前面正有一把槍正對著你。你為什麼看不見？這也說明了色盲的人能生存下來也是有原因的，因為色盲減少顏色對他們的干擾，更能關注到物體的輪廓，更容易找到下圖中狙擊手的位置。

你看到什麼

所以說，我們能看到波長為380nm~780nm的可見光足夠讓我們生存下來，況且我們現在有更先進的設備來識別其他波長的電磁波。

相關閱讀：可見光編碼

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光源色與表面色

我們所說的顏色主要分兩種：

（1）光源色（light source color）：來自發光體的顏色色。如太陽，燈泡，LED燈，等等。

光源色

（2）表面色（surface color）：不是來自發光體的物體色。物體本身不發光，但能看到物體的顏色，是因為這些物體能對來自於其他發光體的光的選擇性的吸收和反射。

表面色

下面我介紹的顏色都是表面色，也就是不發光物體的顏色。主要從三方面來介紹顏色的一些知識，也就是顏色三要素：物體，光源，觀察者。這三個要素之間的關係是怎麼樣的呢：

我們看到的物體的表面色，是由於來自於光源（包括太陽，電燈等）的光到達物體那裡，該物體對光線進行選擇性吸收反射，沒有被吸收的或被反射的可見光到達觀察者（包括人，電腦），通過觀察者的對這些光的分析編碼，形成我們看到的顏色。

顏色三要素

以下逐一分析顏色的三個要素。

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顏色三要素之一：光源

我們看到的物體的表面色，是由於來自於光源（包括太陽，電燈等）的光到達物體，該物體對光線的選擇性吸收反射，沒有被吸收的或被反射的可見光到達觀察者（包括人，電腦）。

而我們比對顏色使用的光源都是有標準規定的光源。通常在下圖所示的對色燈箱里看顏色。

對色燈箱

對色燈箱裡面有不同的光源可選擇。有D65，TL84，CWF，A光源，UV燈，等等。

下圖顯示了相同顏色的物體在不同光源下顏色會出現差異。所以顏色的前期開發是必須了解客戶的常用對色光源，我們開發顏色時也使用一致的光源。

不同光源下的顏色

對於光源的性質，可以通過光譜功率分布（SPD）來描述。光譜功率分布（SPD）的意思就是光源發出可見光的光譜波長（380nm~780nm）的功率是不同的。不同發光體發出的光，在每個單位波長的功率是不一樣的。

如下圖顯示了四種常用的光源（TL84、CWF、illuminant A、Daylight）的光譜功率分布：

常用光源的光譜能量分布曲線

這些光譜功率分布曲線圖，橫坐標是可見光波長，縱坐標是功率大小。

比如，對於上圖左下角的A光源發出的電磁波，短波的功率較低，長波的功率較大，可以理解成A光源發出的短波較少，也就是藍光較少，而發出的長波較多，也就是紅光較多，所以A光源發出來的光源是一種比較暖的紅黃相的光線。

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顏色三要素之二：物體

物體的性質，就是對光線的選擇性吸收反射的性質，我們可以用光譜反射率曲線來表達物體的這種性質。

如下圖，是使用分光光度計(Spectrophotometer)測到的一個物體顏色的光譜反射率曲線：

物體的光譜反射率曲線

其中

橫坐標是波長（wavelength），也就是可見光，我們也很直觀的看到不同波長代表的顏色；

縱坐標是%R是反射率（reflectance ），表示物體對特定波長的反射率。

（註：縱坐標的%T表示透過率，討論透明色使用。）

紅色曲線代表這個顏色的光譜反射率曲線。

我們也非常直觀地看到這個物體對不同波長的可見光的反射能力不一樣。例如上面的例子：

在360nm~580nm波長的光譜反射率較低，表示該物體吸收了這個波長段的光譜；

在580nm~750nm波長的光譜反射率較高，表示該物體反射出這個波長段的光譜。

所以我們看到的顏色正是被反射出來的580nm~750nm波長的光，也就是紅黃相的顏色。

這個光譜反射率曲線就是代表了下圖這個紅色物體對光的吸收和反射的性質。

紅色

光源的光譜功率分布跟物體的光譜反射率曲線有點接近。前者是表示發出來的光譜，後者是表示吸收反射出來的光譜。

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顏色三要素之三：觀察者

觀察者分為兩類，人和電腦。對應的就是顏色判定的兩種手段，目視對色和電腦對色。

人眼構造很複雜，但我們只需要知道被物體反射的光如何到達我們的大腦中進行分析。

如下圖，光線通過眼球角膜的折射，經過晶狀體調節焦點，讓視野焦點落在視網膜上。

人眼構造

在視網膜中經過光感受器，或者說是感光細胞的處理，將光信號轉化為電信號，傳遞到我們大腦的視覺皮層進行分析。

視網膜示意圖

其中，感光細胞才是我們對於顏色感知的主部分。

感光細胞有兩類：桿體細胞（視桿細胞）和錐體細胞（視錐細胞）。這些細胞是根據其形狀命名的，如下圖：

感光細胞

桿體細胞是暗視覺器官，對弱光反應靈敏，在低照明水平情況下發生作用，但不能感受顏色。

椎體細胞是明視覺器官，使我們看到彩色和非彩色。

所以以下我們只關注椎體細胞。椎體細胞有三類：

S、M、L型視錐細胞。研究人員已經記錄了每種視錐細胞對每一波長的光的不同響應情況。也就是說，這三種椎體細胞的響應決定於刺激它的光的波長。

下圖展示了不同視錐細胞的光譜響應曲線。三條曲線分別對應三種視錐細胞。他們的峰值分別出現在短波長（S），中波長（M）和長波長（L），所以我們也這樣命名。

三種視錐細胞對不同波長光的響應

舉個例子，如下圖：

580nm波長的光對視錐細胞的刺激

580nm波長的光，照射到我們的眼睛，M視錐細胞和L視錐細胞有不同響應，形成一定的響應強度的比例的信號，這個兩個視錐細胞的響應信號，共同疊加形成了對580nm波長感知的特定信號。這個信號遞到大腦視皮層，進行編碼，就形成了我們對580nm波長的光的感知——黃色。

反過來，無論你通過怎樣的光的混合，只要M視錐細胞和L視錐細胞傳遞給大腦視皮層的信號符合這個比例，大腦就會辨認出黃色。

好了，以上就是人眼如何看顏色的過程。明白了人眼的顏色辨認的原理之後，我們在看看電腦是如何辨認顏色。

類似人眼三種視錐細胞對不同波長的光的響應，研究人員也得到一個標準觀察者的三刺激值：

標準觀察者

這個標準觀察者三刺激值是通過顏色匹配實驗得到的。就是調整紅藍綠三色光的比例來匹配目標色光的實驗。

顏色匹配實驗，圖片來源見水印

這個標準觀察者的三刺激值跟人眼的視錐細胞對光的響應是有點不一樣，因為視錐細胞對光的響應曲線是用所有波長的光來測量視錐細胞的響應情況，而標準觀察者的三刺激值是通過給定的三種光源——紅綠藍——來模擬這三個視錐細胞對所有波長的光。所以會不一樣，但這不妨礙我們使用這個標準觀察者三刺激值來模擬人眼看到的顏色。

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