数字色彩教程:数字色彩与色彩理论

第二章数字色彩与色彩理论

2.1 混色系统 CIE 与显色系统HVC

由于数字色彩理论的严重滞后，我国的数字色彩设计一直处于混乱状态。大、中专学校的艺术设计教学中见不到关于数字色彩的课程，部分色彩教师不知道何为“混色系统”和“显色系统”，更有甚者分不清光色的“三原色”与颜料的“三原色”以及它们之间的相互关系。 “色彩构成”课程，在今天显得残缺和幼稚，数字色彩在课堂上没有一席之地。这是轻视色彩学习、缺乏色彩理论和色彩实践导致的结果。
数字色彩并不是凭空产生的，它以现代色度学和计算机图形学为基础，采用经典艺用色彩学的色彩分析，是色度学与艺用色彩学在新的载体上的发展与延伸。

2.1.1 混色系统 CIE 它是数字色彩的基础
现代色度学是我们认识色彩的基础，它给色彩应用制定了国际通用的色彩标准。1931年，国际照明委员会（简称CIE）在剑桥举行的CIE第八次会议上，以CIE－RGB光谱三刺激值为基础，统一了“标准色度观察者光谱三刺激值”，确立了CIE 1931－XYZ系统，称之为“XYZ国际坐标制”，从而奠定了现代色度学的基础。
由x，y，z三基色作轴的xyz锥形空间是一个三维的颜色空间，它包含了所有的可见光色（如图CIE 三维颜色空间）。这个三维的颜色空间从原点O开始延伸第一象限（正的八分之一空间），并以平滑曲线作为这个锥形的端面。从原点作射线贯穿这个锥体，射线上的任意两点表示的彩色光都具有相同的彩度和纯度，仅仅亮度不同。
这个马蹄形的CIE色度图（也称色品图），包含了可见光的全部色域。通过CIE色度图，我们可以测量任何颜色的波长和纯度；识别互补颜色；定义色彩域，以显示叠加颜色的效果；还可以用CIE色度图比较各种显示器、胶卷、印刷、打印机或其它硬拷贝设备的颜色范围。CIE色度图是一个二维空间，它只反映了光色的彩度和纯度，没有亮度因素。

2.1.2 显色系统HVC（孟塞尔系统）它是经典（颜料）色彩的基础
经典艺用色彩学是一种以颜料色彩为载体、偏重色彩心理属性研究的色彩理论体系。它的物理基础是一种显色系统，最常见的是孟塞尔的HVC色彩体系（如图蒙塞尔色立体）。它是经典颜料色彩的基础。
孟塞尔显色系统HVC是美国画家孟塞尔创立的。1915年《孟塞尔图谱》首次出版。它是目前国际上作为分类和标定物体表面色最广泛采用的方法（包括颜料、彩色油墨、印刷品等）。美国、日本、英国、中国等国家的标准颜色都是基于孟塞尔系统的；我国的艺术色彩教学也以孟塞尔系统为基础。
孟塞尔显色系统着重研究颜色的分类与标定、色彩的逻辑心理与视觉特征等，为经典艺用色彩学奠定了基础，也是数字色彩理论参照的重要内容。

2.2        数字色彩的混合与RGB色彩模型
2.2.1 色彩的三刺激与颜色的三基色

我们假设人类眼睛的视网膜中存在三种锥体细胞，它们分别对红、绿、蓝三种色光最敏感，根据人眼光谱灵敏度实验，我们可以得到这三种细胞最敏感的色光的波长。由于实验结果得到用来测定光谱色的原色出现负值，计算起来很不方便，科学家们选择了三个理想的原色：（X）、（Y）、（Z）。（X）代表红色，（Y）代表绿色，（Z）代表蓝色，这三个颜色不是物理上的真实色，而是虚构的假想色
马蹄形的CIE色度图就正好适合在这个XYZ三角形中。（如前图 CIE 三维颜色空间）
在颜色匹配实验中，我们可以选取任意三种颜色，由它们相加混合后能生成这个范围内的任何颜色，那么这三种颜色就称为三原色或三基色。红（R）、绿（G）、蓝（B）是最常用的三基色，也是后来计算机显示颜色的三基色。

2.2.2 色光的加色法混合与RGB色彩模型
R、G、B三色是常用的光的三原色，红（Red，记为R）、绿（Green，记为G）、蓝（Blue，记为B），它们是计算机显示器及其它数字设备显示颜色的基础。RGB色彩模型是数字色彩最典型、也是最常用的色彩模型。它属于加色法混合，是一种光源色的混合模式。
加色法混合的特征是：（1）两种不同的彩色光混合生成另一种颜色，且色光混合的次数越多、强度越大，得到的颜色越明亮；（2）如果两种色光混合成白色，它们就被称为互补色；（3）三基色可以混合出其集合范围内的所以颜色；（4）红( R )、绿( G )、蓝( B )三色等量相加生成中性灰色,当R、G、B三色达到最高值时，它们相加后的结果生成白色。
在笛卡尔坐标系里（如图RGB色彩模型），RGB色彩模型可以用一个三维的立方体来表示，坐标原点代表黑色（0，0，0），坐标顶点代表白色（1，1，1），坐标轴上的三个立方体顶点分别表示R、G、B三个基色，余下的三个顶点则表示每一个基色的补色，它们分别由同一平面上的两个相邻的顶点加色混合而成。从黑色原点到白色顶点的主对角线上的所有色彩，是无彩色系的灰度颜色。

2.2. 3 计算机的RGB色彩选取和数字输入
在使用计算机进行主要用于电子显示色彩的设计时，我们可以选择RGB色彩模式。RGB色彩模式采用的是DIE 三维色彩空间，R、G、B三种颜色的色彩数值从 0—255，共256极，是2的8次幂，与计算机显示器电子抢的强度等级是一致的。0 表示色彩强度最弱（即没有色彩）的状态，呈黑色；255表示色彩强度最强（即色彩纯度最高）的状态，呈最饱和色。当三种颜色的色彩数值都是0时，它所表现的区域就呈黑色；当三种颜色的色彩数值都是255时，它所表现的区域就呈白色；在处于其它色彩数值的情况下，就会显示出各种不同的颜色。

2.3 数字色彩的三属性与HSV（HSB）色彩模型

2.3.1 色彩的客观三属性与主观三属性
在经典艺用色彩学中，我们只知道一种“色彩三属性”，实际上它只是对人们主观感受色彩的心理描述，建立在人的主观基础之上的对色彩属性的描述，色度学称之为“色彩的主观三属性”。色彩的主观三属性包括：色相（Hue，记为H）、饱和度（Saturation，记为S）、明度（Brightness，记为B）。色相（H）是指色彩的相貌，即红、黄、绿、青、蓝、紫等；饱和度（S）是指某种色彩含有该色彩份量的多少的程度，在传统的美术圈里，大多数人把“饱和度”称作“纯度”；这在小范围的用笔和颜料进行创作的美术圈内使用还无伤大雅，但用到数字色彩中就会引起混淆，因为色度学中的“纯度”（purity）是用来描述光谱色彩的；明度（B）是指色彩的明亮程度。
色彩还存在客观的三属性，它包括: 主波长（dominant wavelength）、纯度（purity）和亮度（luminance）。主波长是所见彩色光中占支配地位的光波长度，它决定色光的色彩（色相）；纯度是光谱纯度的量度，即纯色光中混有白色光的多少；而亮度是指光的明亮程度。它们是三个物理量，可以用仪器测量来得到。这三个物理量对光色特征的描述，与色相、明度及饱和度是等效的。根据CIE三维颜色空间，我们可以计算出颜色的主波长和纯度，可以直接通过三刺激值中的Y值来表示亮度因素。

2.3.2 人眼对颜色的视觉
在人的视网膜上分布有两种细胞，一种是“杆体细胞”,它可以接受微弱光线的刺激，只能让人们在月光甚至星光下极暗的环境里分辩出物体的形状和“黑”与“白”，不能分辨出颜色。视网膜上的另一种细胞叫“锥体细胞”,它只有当亮度达到一定水平时才能被激发，是人眼颜色视觉的神经末梢，能分辨物体的细微结构和颜色。人眼对色彩的分辨能力因光谱颜色的差异而有所不同。
我们大概能区分128种不同的色相和130种不同的色饱和度等级。根据所选的颜色又可进一步区分若干个等级的明暗差别。对于黄色，能分辨出23种明度；对于蓝色，能分辨出16种明度。因此，我们就能计算出人眼大约能分辨出的颜色总数：128 * 130 * 23 = 282720 ，共二十八万二千七百二十种。这就是一些书上常提到的人类的眼睛可以分辨几十万种不同颜色的缘由。

2.3.3 HSV（HSB）色彩模型
    HSV色彩模型从CIE三维颜色空间演变而来，它采用的是用户直观的色彩描述方法，它跟孟塞尔显色系统的 HVC 球型色立体较接近。(如图HSV 色彩六棱锥)只不过HSV色彩模型是一个倒立的六菱锥，只相当于孟塞尔球型色立体的一半（南半球），所以不含黑色的纯净颜色都处于六菱锥顶面的一个色平面上。在HSV六菱锥色彩模型中，色相（H）处于平行于六菱锥顶面的色平面上，它们围绕中心轴V旋转和变化，红、黄、绿、青、蓝、品红六个标准色分别相隔60度。色彩明度（B）沿六菱锥中心轴V从上至下变化，中心轴顶端呈白色（V = 1），底端呈黑色（V = 0），它们表示无彩色系的灰度颜色。色彩饱和度（S）沿水平方向变化，越接近六菱锥中心轴的色彩，其饱和度越低，六边形正中心的色彩饱和度为零（S = 0），与最高明度的V = 1相重合，最高饱和度的颜色则处于六边形外框的边缘线上（S = 1）。
      (1) 色相、饱和度与六棱锥色平面（H和 S）
          色平面（H、S）的基础是CIE色度图的x、y色平面
      (2) 明度与六棱锥中轴色（v）
         色明度（V）的基础是 CIE三维颜色空间的亮度因素Y。

2.3.4 计算机的HSB色彩选取和数字输入
HSV色彩模型在计算机软件里常用HSB色彩模式来表示，跟HSV色彩模型一样，H表示色相，S表示色彩饱和度，B表示色彩明度（相当于V）。最直观的表示法是corel DRAW 中的“CMYK 3D减色法”。

2.4 数字化色彩的分类与CMYK色彩模型
由于CIE色度图是一个二维空间，它只反映了光色的彩度和纯度，没有亮度因素，为了全面地描述所有的色彩，还必须指出其亮度特征。根据CIE三维颜色空间，我们可得到一个既表示彩度和纯度的色度坐标x、y，又表示颜色亮度特征的亮度因素Y的立体图标，（如图Yxy 表色方法）其中亮度因素从0％—100％，这也是CMYK色彩模型的色度学基础。

2.4.1        CMY是RGB的补色
    CMY三色分别是青色、品红色、黄色。青（Cyan, 记为C）、品红（Magenta，记为M）、黄（Yellow，记为Y）是打印机等硬拷贝设备使用的标准色彩，它们分别是红（R）、绿（R）、蓝（B）三基色的补色。打印机等硬拷贝设备把C、M、Y颜料通过纸张等介质打印成图片后，我们就能通过反射光来感知图片的颜色。CMY色彩模型也是数字色彩常用的色彩模型，它属于减色法混合，是一种颜料色彩的混合模式。减色法混合的特征是：（1）两种不同的颜色混合生成另一种颜色，且颜色混合的次数越多，得到的颜色就越灰暗、越混浊；（2）C、M、Y等各种颜色等于从白光中减去它们各自的补色。如：青色等于从白光中减去红光。（3）青（C）、品红（M ）、黄（Y）三色等量混合生成中性灰色, 当C、M、Y三色达到最高值时，混合的结果生成黑色。在实际应用中，由于颜料的化学成分和介质吸收等原因，C、M、Y三色混合后不会产生真正的黑色，因此在打印时要多加一个黑色（Black, 记为K）作为补充。
    在笛卡尔坐标系里，CMY色彩模型也用一个三维的立方体来表示，（如图CMY 色彩模型）与RGB色彩模型不同的是，CMY的坐标原点代表黑色（0，0，0），坐标顶点代表白色（1，1，1），相当于把RGB立方体倒过来。

2.4.2 CMY是模仿显色系统的减色法色彩模型
CMY三色就是我们从小学画是常常听到的所谓红、黄、蓝三原色，它们的色相跟绘画颜料的湖蓝、玫瑰红、柠檬黄接近。计算机里的CMY色彩模型，就是模仿显色系统的减色法色彩模型。

2.4.3         有彩色系的色平面 (如图HSV 色彩六棱锥)
2.4.4         无彩色系的黑色
2.4.5         计算机的CMYK色彩选取和数字输入
        从 1— 100

2.5 数字色彩对两种系统的综合
    数字色彩源于经典艺用色彩，它以新的载体形式出现，形成了自已独特的技术标准、色彩模型、颜色区域、色彩语言等等。完整的数字色彩理论将是一种集现代色度学、计算机图形学和经典艺用色彩学为一体的整合色彩体系。
孟塞尔显色系统HVC早于CIE 1931－XYZ系统，从色域的涵盖来看也远远小于CIE 1931－XYZ系统。由于孟塞尔显色系统主要研究颜料色彩，早期实用于绘画、印刷等领域；而CIE 1931－XYZ系统主要研究光学色彩，实用于相关的工业应用领域，以至于两种系统各自独立的发展。特别是在造型艺术相关的领域里，几乎不提及CIE 1931－XYZ系统，人们只知道与颜料相关的“色彩学”，不知道与光色相关的“色度学”，更不了解CIE混色系统、色度图和比颜料色彩更为宽阔的色域。
    计算机的问世，特别是计算机图形学的应用，迫使画家、设计师不得不跳出原来的小圈子，站在一个不同的高度来审视所要面临的色彩世界，孟塞尔显色系统和CIE 混色系统在20世纪后半叶实现了整合。
    数字色彩的整合涉及两个方面：

2.5.1 色彩系统的整合
经典艺用色彩的基础建立在“孟塞尔色彩系统”的颜料色彩之上，它是一个显色系统，只研究物体的反射光和色彩的减色模式，它的理论阐述和设色应用只局限在一种色彩系统里内；数字色彩的基础建立在“CIE 1931－XYZ系统”的光学色彩之上，是一个混色系统，主要研究物体的发射光和色彩的加色模式。整合后的数字色彩，由于囊括了色彩从生成、获取到实现的全过程，它将整合显色系统和混色系统两种色彩系统的理论，以及光学色彩与颜料色彩的加色模式与减色模式。

2.5.2 色彩模型的整合
经典艺用色彩使用的是孟塞尔色彩系统的HVC是经典艺用色彩的色彩模型，简称孟塞尔色立体，它象一个扭曲的偏心球体。（如图      蒙塞尔色立体）孟氏色相环以红、黄、绿、蓝、紫5种色为基础色相，中间加入黄红、黄绿、蓝绿、蓝紫、紫红5种过渡色相，每种色相又细分为10个等级，共计100个色相。孟塞尔色立体它跟数字色彩的HSV色彩模型比较接近，两者的主要区别是明度的中性灰色与饱和度（纯度）之间的对应关系；最饱和色的等色相面与明度中心轴的倾斜角差异。整合后的数字色彩模型，以RGB色彩模型为基础，根据不同的应用需要，兼顾基于硬拷贝的CMY色彩模型和基于用户的HSV色彩模型。
在具体的能产生数字色彩的图形软件中，各种色彩模式也是可以相互转换和相互连接的，我们在RGB模式里输入色彩数值，同时可以看到它换算成CMYK或HSB或Lab等色彩模式的数值对应。

2.5.3 数字色彩的几个基本问题
    数字色彩源于经典艺用色彩，它以新的载体形式出现，形成了自已独特的技术标准、存在方式、色彩模型、颜色区域、色彩语言、变化规律等等。我们学习数字色彩，必须明确以下几个基本问题：
    （1）经典艺用色彩的基础是建立在“孟塞尔色彩系统”的颜料色彩之上的，是一个显色系统；而数字色彩的基础是建立在“1931 CIE－XYZ系统”的光学色彩之上的，是一个混色系统。二者的基础不同。前者是减色模式，只研究物体的反射光；后者是加色模式，以研究物体的发射光为主。
    （2）艺用色彩学成熟于20世纪10年代，偏重色彩的心理属性研究；而现代色度学产生于20 世纪30年代，偏重色彩的物理属性研究。
    （3）经典艺用色彩是局限在一种色彩系统里（显色系统）的色彩理论；而数字色彩是包容了两种色彩系统（显色系统和混色系统）的色彩理论。
    （4）数字色彩的理论以经典艺用色彩学为前提，艺用色彩学的色彩三要素、色彩的心理感应、色彩的对比与调和、色调等，都是数字色彩要涉及的基本内容。
    （5）数字色彩与经典艺用色彩主要存在不同的色域、不同的色彩明度与饱和度界定及其不同的表达