【收藏干货】 颜色-不是你想象的那样
你们对颜色的第一印象是什么？
是彩虹？
是颜料？
还是绘画呢？
我要分享的关于颜色的一个核心概念——颜色三要素：物体，光源，观察者。了解了颜色这三要素，就大概理解了颜色的基础知识。
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什么是颜色
▲电磁波
上图所示的是不同波长的电磁波的命名。我们看到的光，也就是可见光，是一种电磁波，波长380nm~780nm，我们看到的颜色只是大脑为了区分不同波长的可见光的一种编码而已。
可见光波长范围虽然仅仅只有短短的三四百纳米，都已经让我们了解足够多的信息了，能看到太多波长的电磁波，反而是一种负累：一方面消耗更多的能量来维持看到这些光谱的器官，另一方面接受太多的信息反而不能让人类专注于当下。况且有时候就连可见光的颜色也是一种干扰，让人类只关注于物体的颜色而忽略隐藏的图形。
举一个例子，体检时医生常常用下图这类型的图片来判断你是否色盲。能看到里面图案的人视觉正常，否则就是色盲。这类测试也让我们觉得色盲就是一种缺陷，因为他们看不到某些东西。
色盲真的是缺陷吗？
▲色盲检测卡
我再举一个例子，下面这幅图是我经常举得例子，你们从这张图看到什么？如果是在现实生活中，色盲的人看到这幅图第一反应就是躲起来，为什么？因为前面正有一把枪正对着你。你为什么看不见？这也说明了色盲的人能生存下来也是有原因的，因为色盲减少颜色对他们的干扰，更能关注到物体的轮廓，更容易找到下图中狙击手的位置。
▲你看到什么
所以说，我们能看到波长为380nm~780nm的可见光足够让我们生存下来，况且我们现在有更先进的设备来识别其他波长的电磁波。
相关阅读：可见光编码
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光源色与表面色
我们所说的颜色主要分两种：
（1）光源色（light source color）：来自发光体的颜色色。如太阳，灯泡，LED灯，等等。
▲光源色
（2）表面色（surface color）：不是来自发光体的物体色。物体本身不发光，但能看到物体的颜色，是因为这些物体能对来自于其他发光体的光的选择性的吸收和反射。
▲表面色
下面我介绍的颜色都是表面色，也就是不发光物体的颜色。主要从三方面来介绍颜色的一些知识，也就是颜色三要素：物体，光源，观察者。这三个要素之间的关系是怎么样的呢：
我们看到的物体的表面色，是由于来自于光源（包括太阳，电灯等）的光到达物体那里，该物体对光线进行选择性吸收反射，没有被吸收的或被反射的可见光到达观察者（包括人，电脑），通过观察者的对这些光的分析编码，形成我们看到的颜色。
▲颜色三要素
以下逐一分析颜色的三个要素。
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颜色三要素之一：光源
我们看到的物体的表面色，是由于来自于光源（包括太阳，电灯等）的光到达物体，该物体对光线的选择性吸收反射，没有被吸收的或被反射的可见光到达观察者（包括人，电脑）。
而我们比对颜色使用的光源都是有标准规定的光源。通常在下图所示的对色灯箱里看颜色。
▲对色灯箱
对色灯箱里面有不同的光源可选择。有D65，TL84，CWF，A光源，UV灯，等等。
下图显示了相同颜色的物体在不同光源下颜色会出现差异。所以颜色的前期开发是必须了解客户的常用对色光源，我们开发颜色时也使用一致的光源。
▲不同光源下的颜色
对于光源的性质，可以通过光谱功率分布（SPD）来描述。光谱功率分布（SPD）的意思就是光源发出可见光的光谱波长（380nm~780nm）的功率是不同的。不同发光体发出的光，在每个单位波长的功率是不一样的。
如下图显示了四种常用的光源（TL84、CWF、illuminant A、Daylight）的光谱功率分布：
▲常用光源的光谱能量分布曲线
这些光谱功率分布曲线图，横坐标是可见光波长，纵坐标是功率大小。
比如，对于上图左下角的A光源发出的电磁波，短波的功率较低，长波的功率较大，可以理解成A光源发出的短波较少，也就是蓝光较少，而发出的长波较多，也就是红光较多，所以A光源发出来的光源是一种比较暖的红黄相的光线。
相关阅读：
光源
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颜色三要素之二：物体
物体的性质，就是对光线的选择性吸收反射的性质，我们可以用光谱反射率曲线来表达物体的这种性质。
如下图，是使用分光光度计(Spectrophotometer)测到的一个物体颜色的光谱反射率曲线：
▲物体的光谱反射率曲线
其中
横坐标是波长（wavelength），也就是可见光，我们也很直观的看到不同波长代表的颜色；
纵坐标是%R是反射率（reflectance ），表示物体对特定波长的反射率。
（注：纵坐标的%T表示透过率，讨论透明色使用。）红色曲线代表这个颜色的光谱反射率曲线。
我们也非常直观地看到这个物体对不同波长的可见光的反射能力不一样。例如上面的例子：
在360nm~580nm波长的光谱反射率较低，表示该物体吸收了这个波长段的光谱；
在580nm~750nm波长的光谱反射率较高，表示该物体反射出这个波长段的光谱。
所以我们看到的颜色正是被反射出来的580nm~750nm波长的光，也就是红黄相的颜色。
这个光谱反射率曲线就是代表了下图这个红色物体对光的吸收和反射的性质。
▲红色
光源的光谱功率分布跟物体的光谱反射率曲线有点接近。前者是表示发出来的光谱，后者是表示吸收反射出来的光谱。
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颜色三要素之三：观察者
观察者分为两类，人和电脑。对应的就是颜色判定的两种手段，目视对色和电脑对色。
人眼构造很复杂，但我们只需要知道被物体反射的光如何到达我们的大脑中进行分析。
如下图，光线通过眼球角膜的折射，经过晶状体调节焦点，让视野焦点落在视网膜上。
▲人眼构造
在视网膜中经过光感受器，或者说是感光细胞的处理，将光信号转化为电信号，传递到我们大脑的视觉皮层进行分析。
▲视网膜示意图
其中，感光细胞才是我们对于颜色感知的主部分。
感光细胞有两类：杆体细胞（视杆细胞）和锥体细胞（视锥细胞）。这些细胞是根据其形状命名的，如下图：
▲感光细胞
杆体细胞是暗视觉器官，对弱光反应灵敏，在低照明水平情况下发生作用，但不能感受颜色。
椎体细胞是明视觉器官，使我们看到彩色和非彩色。
所以以下我们只关注椎体细胞。椎体细胞有三类：
S、M、L型视锥细胞。研究人员已经记录了每种视锥细胞对每一波长的光的不同响应情况。也就是说，这三种椎体细胞的响应决定于刺激它的光的波长。
下图展示了不同视锥细胞的光谱响应曲线。三条曲线分别对应三种视锥细胞。他们的峰值分别出现在短波长（S），中波长（M）和长波长（L），所以我们也这样命名。
▲三种视锥细胞对不同波长光的响应
举个例子，如下图：
▲580nm波长的光对视锥细胞的刺激
580nm波长的光，照射到我们的眼睛，M视锥细胞和L视锥细胞有不同响应，形成一定的响应强度的比例的信号，这个两个视锥细胞的响应信号，共同叠加形成了对580nm波长感知的特定信号。这个信号递到大脑视皮层，进行编码，就形成了我们对580nm波长的光的感知——黄色。
反过来，无论你通过怎样的光的混合，只要M视锥细胞和L视锥细胞传递给大脑视皮层的信号符合这个比例，大脑就会辨认出黄色。
好了，以上就是人眼如何看颜色的过程。明白了人眼的颜色辨认的原理之后，我们在看看电脑是如何辨认颜色。
类似人眼三种视锥细胞对不同波长的光的响应，研究人员也得到一个标准观察者的三刺激值：
▲标准观察者
这个标准观察者三刺激值是通过颜色匹配实验得到的。就是调整红蓝绿三色光的比例来匹配目标色光的实验。
▲颜色匹配实验，图片来源见水印
这个标准观察者的三刺激值跟人眼的视锥细胞对光的响应是有点不一样，因为视锥细胞对光的响应曲线是用所有波长的光来测量视锥细胞的响应情况，而标准观察者的三刺激值是通过给定的三种光源——红绿蓝——来模拟这三个视锥细胞对所有波长的光。所以会不一样，但这不妨碍我们使用这个标准观察者三刺激值来模拟人眼看到的颜色。
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色度学
上面分别讲解了颜色三要素：物体，光源，观察者。以及他们的一些特征，如，物体的光谱反射率曲线，光源的光谱能量分布曲线，还有标准观察者的三刺激值。
无论你们理解不理解这些概念，你们必须记得颜色三要素，物体光源观察者，只要任何一个因素发生改变，颜色就会改变。
了解颜色三要素后，如何应用？
研究颜色测量的科学叫做色度学，色度学的任务就是用数量化来表征色觉特性。
「色度」中的「度」是度量的意思。 类似于长度，高度等等概念。
度量长度或高度使用的工具是尺子，而度量颜色的工具就是色度学。
那么如何度量颜色，用数字来表示颜色呢？
我们发现颜色三要素：物体，光源，观察者。他们的特征，如，物体的光谱反射率曲线，光源的光谱能量分布曲线，还有标准观察者的三刺激值，都是一系列的曲线，横坐标都是不同波长的光谱。所以我们就可以针对这些曲线做计算。
对于特定光源下指定物体的颜色观察者看到的颜色，就是将这三个要素相乘：
得到X，Y，Z（大写）
算出x（小写X），y（小写Y）。
再根据下图的1931CIE-XYZ色度图找到对应的位置，知道代表的颜色，横坐标是x，纵坐标是y：
▲1931CIE-XYZ色度图
1931CIE-XYZ色度空间有一个缺点，就是不容易对颜色差异的判定，无法非常直观的判定这个颜色就是我需要的颜色，不知道这个颜色跟我需要的颜色的差异的大小。所以才会引入非常直观好用CIE 1976均匀颜色空间，即下图的1976 CIE-L*a*b*颜色空间。
这是一个三维的颜色空间：
▲CIE L*a*b*颜色空间
▲CIE L*a*b*颜色空间
CIE L*a*b*颜色空间中 L*a*b*的代表意思如下：
L* 表示明度，范围由0到100，表示颜色从深（黑）到浅（白）。
a*表示红绿，数值变化由正到负，表示颜色从红（正）到绿（负）。
b*表示黄蓝，数值变化由正到负，表示颜色从黄（正）到蓝（负）。
通过L*、a*、b*一组三个数据来定位颜色空间某一位置，来表达一个颜色。既然是三维空间，就有空间距离的概念。颜色空间上两个点的位置距离，也表示了这两个颜色的差异大小。
颜色的差异大小，通过色差（△E）来表示。
举个例子，如下图两朵花：
▲from xrite.com
左图花A 的L*=52.99，a*=8.82，b*=54.53
右图花C 的L*=64.09，a*=2.72，b*=49.28
花C和花A颜色的差异可以用△L* 、△a*、 △b*、 △E*来表示。
△L*是 明度的差异，正值表示更浅（白），负值表示更暗（黑）
△a*是红绿的差异，正值表示更红，负值表示更绿
△b*是黄蓝的差异，正值表示更黄，负值表示更蓝
△E*表示总的颜色差异。
总色差△E*可以理解为对比样跟标准的空间距离，如下图：
▲from xrite.com
花C和花A颜色的差异计算如下：
△L*= L* (C) — L*(A) = 64.09—52.99 = +11.10 （表示花C比花A更浅）
△a*=a*(C) — a*(A)= 2.72—8.82 = -6.10 （表示花C比花A更绿「更不够红」）
△b*=b*(C) — b*(A)= 49.28—54.53 = -5.25 （表示花C比花A更蓝「更不够黄」）
△E*=13.71（花C和花A之间的总色差）
△E*=13.71就是花C和花A之间颜色差异。
这个色差的概念必须知道，通常使用在跟客户的颜色沟通上。
这些CIE L*a*b*不仅仅适用于改性塑料行业，还适用于其他跟颜色相关的制造业，如，涂料，纺织行业等等，是国际上通用色彩空间。
相关阅读：
均匀颜色空间
我终于可以准确说出一个颜色了
有了 CIE L*a*b*，颜色沟通再不是问题
你的眼睛跟CIE L*a*b*比比谁是火眼金睛
【前方高能】手把手教你计算 L*a*b*
CIE L*a*b*+CMC ≈ 人眼？!
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实际运用
上面的都是理论上的基础知识，但只要你知道颜色的三要素：光源，物体，观察者。所有关于颜色的问题基本都可以根据这三要素进行分析。下面选取两个例子简单介绍：同色异谱，SCI/SCE模式
（1）同色异谱
根据色度学的计算，同一个物体颜色，在不同的光源下，有不一样的颜色数据。实际上也反映出人眼看到不一样的颜色，但是我们还能正确的辨认出他们是同一个颜色，因为颜色的恒常性。例如一个红彤彤的苹果，无论在超市还是在家里，我们都没感觉到苹果颜色有什么变化。
但如果在同一光源下，两个物体颜色有一样的颜色数据，实际上也是反映人眼看到相同的颜色。但一旦光源改变（切换到其他场景看颜色，如从室内人造光底下，切换到室外自然光底下），我们有时候发现颜色不一样。这就是照明条件等色，简称条件等色。顾名思义，这两个颜色只有符合一定观察条件下颜色才能相等，实际上这两个颜色并非完全一样。
照明条件等色（metameism）是指两个有颜色样品在某一对色光源下显示的颜色效果相等，而在另一光源下则不相等的现象。
条件等色的根源在于两物体的光谱反射率曲线不同，所以也称同色异谱现象。
如何避免同色异谱，从根源出发，也就是颜色三要素（光源，物体，观察者）中的物体的光谱反射率曲线。
对于从客户那里拿到的标板（色板或产品制件），要精确复制该颜色，除非一些不可抗的因素， 最快捷的办法就是从该颜色的光谱反射曲线开始着手分析所需要的着色剂。只要选择正确的着色剂，做成一样的光谱反射曲线，基本就不会出现同色异谱现象，尤其对于一些鲜艳的颜色更有效。
同色异谱有利有弊：
弊：条件等色，两个有颜色样品在某一对色光源下显示的颜色效果相等，而在另一光源下则不相等。增加调色难度。
利：不一定要必须防止出现同色异谱，也正因为同色异谱现象，所以我们就可以针对目标客户常用场所，及其照明条件，来实现条件等色，使用无毒的着色剂替换有毒的着色剂， 使用相对比较便宜的着色剂来替换相对比较贵的着色剂。
参考阅读：
为什么橙色着色剂在CWF光源下偏绿？
同色异谱并非百无一用
【调色-从光谱反射率曲线开始】橙
【调色-从光谱反射率曲线开始】绿
（2）SCI/SCE
SCI：Specular Component Include（包含镜面正反射光），SCI是指包含镜面反射光测量颜色的表达方法；
SCE：Specular Component Exclude（排除镜面正反射光），SCE是指排除镜面反射光的测量颜色的方法。
SCI和SCE的区别，也就是颜色测量时，测量模式的不同，根源就是颜色三要素（光源，物体，观察者）中的观察者，观察方式的不同：
前者SCI包含镜面反射光，也就是说观察者接收到所有物体反射出来的光来分析物体对光的反射吸收属性。
而SCE模式不包含镜面反射光，也就是说观察者过滤掉一些光——镜面反射光，这种测量模式就不能真实反映物体对光的反射吸收属性。并且得到的颜色数据跟SCI模式得到的颜色数据相比，必然偏小，因为根据前面提到的CIE计算公式知道，光谱反射率越高，说明对光的反射越多，对光的吸收越小，颜色就越白，代表明度的L值也就越大。
参考阅读：
了解这些专业术语，不再是颜色测量的小白了
你到现在还分不清SCI和SCE两种测色模式吗？
死磕SCI与SCE模式的计算
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结语
一篇文章，意犹未尽。
很多相关知识点就不再列举，详细请点击公众号：「领略色彩之雅」中的菜单栏，里面已对知识分类整理好。
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但是，当你阅读完这篇文章到最后，我只希望你们能记住一个知识点就足够了：
颜色三要素：光源，物体，观察者
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