颜色的前世今生

颜色的前世今生1一切从光开始

还是从我们系的经典段子开始吧。

话说某师兄去中科院保研的面试上，台下老师问了一个问题："为什么天空是蓝色的?"

答曰："因为海是蓝色的!"

老师无语："这是文科生的答案，请给我一个理科生的答案。。。"

据说后来这个问题已经成了保研面试的经典问题，每年必问。

当年老师把这段子讲到这儿，台下的我们都笑翻了。

其实这个问题的标准答案是"瑞利散射"。

不过为什么是瑞利散射，还要从颜色的本质说起。

颜色的本质是光。

光的本质是能量。

(当然，其实在我这样的理科生看来，这个世界上一切东西的本质都是能量，宇宙、山川河流、资本、情绪、你和我。呵呵，扯远了～)

更具体一些，光的本质是电磁波，并且仅仅是电磁波长长的波谱中的一小段。

在波长380nm到780nm的范围里的电磁波，能量可以被人眼接收。因此在这个意义上讨论时，往往把光称为"可见光"。

(难道还有"不可见光"么?这个名字其实很容易引起人的误读。我猜，主要是因为"光是电磁波"这句话没什么问题，但说"电磁波是光"就不对了，因为电磁波并不都是可见的。为了表达这个纠结的意思，为了让"光"跟一票黑乎乎的电磁波兄弟什么射线啊，微波啊区别开，叫了这个纠结的名字!)

从图上看，从480nm到780nm的光谱里，所拥有的颜色就是彩虹的颜色当然了，彩虹就是从太阳光里折射出来的嘛。

不过，彩虹里只有饱和度很高的赤橙黄绿青蓝紫，其他常见的颜色呢?褐色呢?粉红呢?紫红呢?尤其可疑的是，白色和黑色呢?

所以，这条彩带上的颜色，是所有可见光的颜色。可并不是我们所能看到的所有颜色。

它们被称为"光谱色"。

意思就是，单一波长的光，所形成的颜色。

比如，如果我用光栅把550nm的光单独分离出来，看到的，就是非常饱和、非常耀目的绿色。

(想想那种绿色的激光笔，没错，就是那种绿!)

这是人类目前(恐怕包括以后)，所能见到的，最纯粹最纯粹的一种颜色。

所以，单一波长的光，又叫单色光。它的颜色是不可再次分离的。

那如果我把它们混合到一起呢?如果改变它们的比例呢?黑色和白色又是怎么回事?

很好，事情开始复杂了。

下次再见。

我从小就对颜色着迷。

但颜色又如此复杂，如此神秘，已经成为我心中的一个大大的谜团。

现在终于下定决心把这个题目好好写写，一解心中多年迷惑。

不知道要写多久，希望我能坚持。加油!

颜色的前世今生2光的叠加

上帝说，要有光，于是有了光～～

为啥早早把光造在前面呢，因为没有光啥也看不见啊，造出来木有啥用。。。开个玩笑，大家表拍我。。。

咱继续。

光照在物体上，物体反射回来的光，被人眼接受，视觉细胞产生响应信号，视觉神经把信号传递给大脑，大脑经过信号处理后，得出物体的相关信息：位置、大小、形状、质地，以及颜色。

不同的物体对光谱的反射、吸收性能不同，形成了不同的能量谱。不同的能量谱进入人眼，从而感知到不同的颜色。

看一下上面柠檬的反射谱，这条曲线是用仪器能测到的、柠檬反射回来的光的分布曲线。虽然柠檬是黄色的，但其实并不只是反射黄色的光谱，反而从蓝色到红色都有反射。

就是说，我们看到的柠檬的黄色里，其实包含了蓝色、绿色、黄色和红色。黄色是最后大脑的一个整体的印象，是所有接收到的光的叠加效果。(另外再罗嗦一下，如果真的只有黄色会怎么样呢?这个时候柠檬就会黄得非常鲜艳，以至于显得很假。就是因为它的颜色太单一了，缺少这种叠加效应产生的那种柔和自然的感觉。绿色激光笔可真是个好例子，你什么时候见过自然界有那种诡异的绿色?)

人脑的信息处理能力是相当强大的，瞄一眼，就知道能量是怎么分布的了。甚至我们都没有意识到这一点，大脑在跟我们说："看啊看啊，它的能量分布是这样的，这样的，还有这样的～"我们瞟了一眼，"哦，黄色。"

不过，黄色和黄色也是不一样的。同一个柠檬，不同的位置，颜色也不会完全一样。同一个位置，不同的光线条件，颜色也不会完全一样。

红色光多一点，就是桔黄色;蓝色光多一点，就是黄绿色;向着光源的地方比较亮，黄色会发白，明度上升，饱和度下降;背着光的地方，黄色发灰，明度下降，饱和度也下降。

他们本质上的区别，就是能量谱的不同。如果两条光谱曲线是一模一样的，可以完全重合的，那么可以说它们形成的颜色是完全一样的。(虽然但这样的情况在现实生活中着实少见。)

不过，在我们发现能量谱这个本质问题之前，人类已经为如何表述颜色困惑许久了。虽然不同的颜色已经有不同的名字了，但还是有很多不便之处。简单的说，买个颜料就很费劲啊～

--"老板，我要茜红色。"

--"哪。"

-- "茜红色哪是这个颜色啊?!这明明是胭脂红!"

-- "那你说茜红是什么样的?我家茜红就这样!"

。。。为了避免这样的悲剧反复发生，一些聪明人就开始想办法把所有的颜色都编上号。用数字来表示颜色，然后印一本标准色卡，用的人一人发一本，这下就不用怕有这种分歧了。包括现在你去买家具什么的，厂家都会有这样的色卡，你想改成什么颜色，就在色卡里挑一种喜欢的就好。

不过，厂家提供的是比较有限的颜色，因为他的配方都经过反复试验固定下来了，就那么几种可选的。这样有限的颜色怎么能满足科学家的求知欲呢，呵呵～通过对颜色特点的观察，许多科学家都发现，颜色主要有三个特性，色相、明度、饱和度。如果用三个坐标来表示这三个特点，就可以在一个三维空间里把所有的颜色都标上号。

这个办法，后来被叫做表色体系方案。其中最著名的，当然是孟塞尔的色立体，影响至今。

颜色的前世今生3色彩体系

为了方便的对颜色进行交流和使用，人类早早开始对"标准颜色"，或者说"颜色的标准"进行探索。

三百多年前，一位瑞典科学家(也许是位博物学家)Richard Waller发表了《简单色与混合色表》，一共有119种颜色，由浅至深排列。主要用于给自然界发现的物体描述颜色。使用者将实物与色表对比，就可以确定所观察对象的颜色名称了。同一时期还有其它科学家创建的色表，因为没有找到图，就不一一列举了。

图片来源："A Catalogue of Simple and Mixt Colours with a Specimen of Each Colour Prefixt Its Properties," in Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 6 for the years 1686 and 1687

(这样采用肉眼和标准色对比的方法，来进行颜色描述的方法，被称为"对比色法"，在能量谱被发现之前的这段历史中，一直是唯一靠谱的表色法。)

Waller的色表表明，在那个时候，人们就已经意识到了简单色可以混合出混合色(即中间色)。但是用色表这种二维表格的表现形式，颜色之间的过渡、关联关系并不明显。

还有没有更有逻辑的、更容易记忆的、不会把人搞晕的表色法啊?

有了!横空出世的伟大科学家牛顿，发现了白光可以用棱镜分离出彩虹色(年代稍后，《Opticks》一书发表于1704年)。从此开始了更科学、更精准的颜色研究之旅。

这部分先按下不表，先说说牛顿的另一大天才想法：

把直线排列的彩虹色带变成了色轮!

从此蓝色和红色首尾相接，中间增加了紫红色。蓝色红色之间的大段空白被衔接上了，色彩之间的关联更加直观。不但所有能明显识别出来的色相都标注在色轮里，还有了种轮回的哲学意味。

(所谓色相，就是颜色的主基调，就是能叫出名字来的红黄绿兰紫。黑白两色不算，原因以后会详细讨论。)

(另外再八卦一下，紫红色是唯一没有光谱色的颜色，就是说，没有任何一种单色光能形成紫红色这种色相。但凡见到紫红色，它一定是蓝色和红色的混合。这难道是大家都认为紫红色是种神秘的颜色的原因?呵呵!)

看看这个牛顿色环的彩图，多古典啊。。。爱死这样的风格了!

图片来源： [C. B.] Traité de la peinture en mignature (The Hague, 1708).

且慢，这里仍然只有彩虹色(虽然增加了一个紫红色嗯，话说图上的紫红怎么更像粉红?褪色了?)，仍然没有黑色白色、低饱和度、高明度等等的复杂颜色。这也许是因为牛顿主要是位物理学家，搞清楚那些复杂的颜色不是他主要关心的问题。

不过，在牛顿色环的启发下，许多科学家在此基础上对色环进行了完善工作。

英国的昆虫学家Moses Harris，融合了之前天文学家兼地图学者Tobias Mayer提出的色彩三角形理论，利用同心圆环标示色彩，色环越往外颜色越浅。黑色，则是以三原色混合来表示。后来的研究者认为，这就是现代标准色彩体系的雏形。

(Mayer提出来的三原色理论：所有颜色由红黄蓝三种"原色"组成，分别占据三角形的三个顶点，改变他们的配比关系，可以产生混合的过渡色。过渡色可以按照跟原色的关系远近，分布在顶点之间的连线上。)

请看Mayer的色彩三角形和Harris的色环。

图片来源：From Tobias Mayer, Tobiae Mayeri. . . Opera inedita: Vol. I. Commentationes Societati Regiae scientiarvm oblatas, qvae integrae svpersvnt, cvm tabvla selenographica complecten. Trans. and ed. Georg Christoph Lichtenberg. Goettingen, 1775, plate III.

图片来源：From Moses Harris, The Natural System of Colours . . . (London, [1766]).

注意看，Harris的色环里已经有了浅颜色，但是深颜色还没有。肿么办，纸面有限，已经放不下那么多深颜色了。。。

弄成三维的!Bingo!

请看德国科学家Johann Heinrich Lambert的三维色彩金字塔：

图片来源：Johann Henrich Lambert, Beschreibung einer. . . Farbenpyramid. . . (Berlin, 1772).

此外还有球性的、半球形的、四面体形的三维色立体，他们是世界各地的科学家、艺术家们按照自己的理解为表色体系作出的贡献。他们就是Munsell等现代表色体系的前身。

时间到这里，离Waller发表的《简单色与混合色表》已经过去100年了。。。

这段时间，形成了色环、色立体这样有力的管理、标识颜色的工具。但是，还没有确立色相、饱和度、明度的概念。随着大家对颜色理解的步步深入，这些概念越来越清晰，并最终融合在了三维色立体中，表色体系从而更加有逻辑、更加接近本质。现代表色体系从此定型。

下次将介绍现代比较色法表色体系的代表，其集大成者，Munsell色立体。

颜色的前世今生4孟塞尔色空间

话说一两百年前，表色体系终于进化到了三维的，用来把这么多鲜艳的不鲜艳的、发白的发黑的颜色装下。

不过，人眼能识别的颜色种类，根据大概的估算，多达千万种!(现在的显示器一般是24位色的，理论上能显示16777216种颜色)

如果把这些颜色都排列出来，从1开始编上号，印成字典一样的小册子，绝对是《四库全书》那种大部头啊。。。在一个木有搜索引擎的时代，要跟人讨论一个叫什么"148472"的颜色，可是件让人崩溃的事!

(我是说如果真能全部印出来的话。。。为什么没法全部印出来呢?以后会专门讲滴~)

所以，艺术家们必须琢磨出一套办法，抓住颜色变化的规律，把这事儿理出个头绪来。

下面是德国画家Philipp Otto Runge在1810年发表的球状色立体。

Runge是歌德的好朋友(没错，就是那位德国诗人歌德。他对颜色很感兴趣，还专门写了一部大部头的书《色彩论》，以后我们还会专门再介绍他)。两人经常书信往来讨论颜色的话题。可惜就在他发表色立体的1810年，不幸得了肺结核，英年早逝，否则凭借他的才华，应该能在颜色科学上有更大的成就。

(再多说一句，在这个年代，各门科学艺术成就的积累、知识信息的传播都是非常缓慢而脆弱的。一旦有战争瘟疫，或者有才华的人没有合适的弟子传承，就会造成某一领域几十年甚至几百年的发展停滞和倒退。

所以《神雕侠侣》里面金轮法王看到郭襄小盆友是块料，就威逼利诱非要当人家师傅，这种心情其实是可以理解的。。。互联网是多么伟大的发明啊，阿门～维基百科，阿门～)

Runge的色空间其实已经做的很到位了，如果用孟塞尔做的地球仪状的色空间(发表于1900年)来描述，会更加容易理解：

赤道上的颜色是最典型的颜色：彩虹色+紫红色。

往南北两极发展的是复杂色。

越往北极，颜色越发白。

越往南极，颜色越发黑。

并且，颜色不光分布在地球仪的表面。如果把地球仪从中间竖着切开，地心是彩度最低的颜色，越往赤道走，彩度越高。

参见Runge色球右下角的的那幅剖面图：它的左边是红色，右边是红色的补色绿色，往上发展是浅红和浅绿，往下发展是深红和深绿。两个颜色在南极点的黑色和北极点的白色上交汇了。地心其实也应该是两个颜色交汇的灰色，但估计是受当时颜料的限制，灰色并不明显，看起来像是发红的褐色。

不过孟塞尔很快发现这种球状的色空间不对劲了。不对劲在哪儿呢?

如果保持这种严格的球形，这个颜色就没有办法均匀地变化!

咱举个例子。还是以上面的剖面图为例，我站在灰色的地心位置往赤道方向走，往左走六步到最红的颜色，往右走六步到最绿色的颜色。虽然都是六步，可是红色方向每一步的颜色变化，就比绿色方向的颜色变化明显。这就是所谓的"步长"不一致。

刚开始，色空间都被设计为简单的、严格的几何立体形。什么球形的，半球形的，以及大家已经见识过金字塔形的。

这主要是受古典哲学、美学的影响，那会儿的人都认为上帝创造的东西就应该是完美的、对称的。

鸟巢那种曲里拐弯的后现代造型。。。可是上不了台面滴。。。

为了解决这个让颜色均匀变化的问题，Munsell发挥了美国人民敢想敢干的精神，大手一挥，最后做成了这样一个类似于纺锥形的色空间：

开个玩笑～ 其实孟塞尔做了大量的实验，他的色空间是在坚实的实验数据基础上完成的。这是Munsell体系经久不衰的重要基础。

(孟塞尔全名Albert Henry Munsell, 是一名美国的画家和艺术学校的老师。他之所以搞这个，是因为当时所有的表色体系都没入他法眼，总是有地方不对啊，搞得他上课太纠结了，干脆自己弄一个。话说在艺术啊绘画啊设计啊等等方面，近代美国涌现了不少一流的学校、人才还有教材。美国人干活风格讲究简单有效，这一点值得好好学习。)

上图是个Munsell色空间的模型。可以看到，Munsell色空间里有局部地方会突出一块，表示这里放了一个额外的颜色，另一些地方凹进去一些，表示这里木有颜色可放了，空着。

如果是像洋葱一样扒拉开看，就是这样的：

如果是顶视图，是这样的：

如果从侧面看，是这样的：

而在没有计算机的时候，做成色卡，又是这样的：

其实Munsell色空间还有其它很多表现形式，大家可以自行google之，主要是理解精神就行。而且它形状太独特了，任它千变万化，你看一眼就知道是不是它了，赫赫。

但是呢，但是呢，这篇文章吭哧吭哧写了半天还没有写到重点上，汗。。。

Munsell大人最主要的贡献其实并不是把色空间形状改了!而是，他，第一次，科学的、系统的、明确的，提出了颜色的三属性：

色调

明度

饱和度

并且，Munsell色空间以此为三维坐标，对颜色进行了更科学的重新排列!

这在颜色科学的历史上有着里程碑的意义啊，同志们～

当年一定也是倚天一出，名动江湖。

这三个概念太重要了，你理解了它们，基本上就理解了颜色。

所以，我打算一个一个拆开了、揉碎了，慢慢说。。。

下次再见～

嗯，最后上图纪念一下这两位伟大的艺术家和科学家。大家猜猜哪个是Runge,哪个是Munsell?

是不是太好猜了?

Runge这幅肖像画实在太古典了有木有~

而照片这个东西呢，是他过世多年以后才发明的～

(我又忍不住跳出来八卦了～

Runge是个眼神多柔和的年轻人啊。。。

对比之下，Munsell则目光炯炯，精明，严谨，精力过人，一看就是不能容忍自己和别人犯糊涂滴。他完全符合我心目中美国教授的形象。话说选他的课肯定很容易挂掉的，吼吼)

颜色的前世今生5色调和补色

色调，英文叫"Hue"，也有翻译为色相的(大家表想歪了，嗯哼)。

简单的理解，色调就是颜色的"特点"。不管是茜红、胭脂红、珊瑚红、粉红、暗红、棕红、朱砂红，总之，它们都是红的;什么柠檬黄、落日黄、印度黄，反正都是"黄"。

表现在光谱上，可以简单的理解为光谱的"主峰"的位置。

这方面表现得最典型的，是LED的光谱，参见下图。不用说，主峰很显眼了，在575nm左右，所以这个LED的色调是桔黄色的。如果把光谱看作山脉的话，LED的光谱就是独秀峰了，周围光秃秃的，情况很简单明了嘛。

当然，除了LED这种独秀峰，大部分自然物体的光谱都分布于各个波长上，形状延绵起伏，大概就是丘陵地貌了。不过如果主峰位置明显的话，色调还是很好分辨的。

以下图的红苹果的反射光谱为例，主波长集中在红色波段，色调自然就是红色了。

再复杂一点，如果主波长横跨多个颜色呢?再把这个柠檬的光谱拿出来看看:

从红色到绿色都可以认为是主峰，独缺蓝色。

那么这样的光谱显示出来的色调，就是蓝色的补色，黄色。

嗯?好像很复杂，什么叫补色呢?

为了方便弄清楚这个问题，我们先假设出有一种光源，所有光谱色的能量都一样多，见下图。

由于它拥有最均衡的能量分布，因此它的颜色是最理想的白色。

也可以说它是没有色调的，因为它没有主波长，完全没有"特点"嘛。

(这样的光源被称为等能白光，也叫"CIE标准照明体E"，CIE Illuminant E。它是被CIE定义出来作为理论研究用的，实际生活中这样的光源并不存在。

CIE又是个什么东东?CIE=International Commission on Illumination，国际照明委员会。就是定义CIE1931色品图的那拨大佬们，以后讲色度学的时候还要介绍。

有爱思考的同学要问了，这个英文的缩写也不是CIE啊?咳咳，这个是它的法文名字的缩写：Commission Internationale de L"Eclairage。这点也可以看出来，CIE的核心地盘在欧洲。当然，现在搞固体照明的领头羊，之一，仍然在欧洲。

爱思考的同学又要问了，用太阳光来研究不好么?为什么要抬出这个东西说事?多麻烦啊!

恰恰相反，E光源是光谱最简单的光源，就是一条直线嘛。

日光其实很复杂的，而且由于不同条件下空气折射、散射率的不同，早上、白天、阴天的光谱变化还很大。

看看下面某条件下测试的日光光谱。。。山路十八弯啊，同志们。。。

而且从图上看，这样的太阳光偏青蓝色，并不是标准的白色呐。

爱思考的同学也许又又要问了，有E光源，有没有ABCD光源啊?有的有的，因为正因为前面的ABCD被别人占了，等能白光才排到了E啊!那个，ABCD就暂时不介绍了，我已经离题万里了，回来回来。。。)

好像我是想说补色来着?咳咳～

从E光源的特点来看，标准白是一种最均衡的状态，没有主波长。

一旦有了主波长，就打破了这样的平衡状态，表现出某种可以描述的"特点"(色调)，假设它为A。

而能够把这种非平衡的状态恢复为平衡状态的光谱，就是A的补色。

换句话说，等能白光的光谱减去光谱A，得到的光谱就是A的补色的光谱。光谱A和A的补色相加，又会回到平衡状态，成为没有"特点"的白光。

如果设平衡状态的等能白光是0，那么A的补色就可以表示为(-A)。

A + (-A)=0，啦啦啦啦，湖面又恢复了平静。

(等等，注意我说的是光谱啊，不是颜料啊～颜料的补色一加上就变黑色了。光谱叠加是加法色，颜料叠加是减法色。后面会专门讲颜料滴。)

这样说好像还太抽象了，我们再回到这个柠檬上。它的光谱跟E光源的一对比，主要是蓝色缺了一大块，可以说是"-蓝色"。而我们看到的柠檬是黄色的，那么这个"-蓝色"，也就是蓝色的补色，就是黄色。

那搞清楚这个有什么用呢?嗯，其实完全可以简单讲讲色调就直接进入下一个内容，明度。

不过，大家想不想搞明白PS的调色器怎么用啊?Painter里色环的颜色为什么要那样排列啊?协调的色彩有哪些规律啊?等等等等。。。

搞懂色调的光谱表现，以及补色-A和原色A之间的联系，对搞懂上面的问题大有帮助。