色彩

定义

色彩指光作用于视觉系统后所引起的一种感觉，它不等同于光本身或物体表面的物理属性^[2]。按中国国家标准的表述，色彩是光作用于人眼所引起的除形象之外的视觉特性，既包括可见辐射的特性，也包括引起光刺激的物体特性^[4]。通常所说的色彩感觉，由光源的波长构成、物体表面反射或透射光的性质以及观察者的辨色能力共同决定^[4]。

在教材与科普文献中，色彩往往被概括为由光、视觉和心理共同参与的结果，光被视为色彩发生的首要条件，没有光便无从产生色彩感觉^[5]。因此，同一物体在不同照明条件下会呈现不同的颜色，色彩描述必须同时说明光源与观察条件^[2]。

原理

从物理层面看，可见光是波长约 380 纳米至 780 纳米的电磁波，不同波长对应不同的色感，波长约 700 纳米的光一般呈现红色，约 450 纳米的光一般呈现蓝色^[6]。物体自身并不具有颜色，它只具有分光反射率这类光学特性，人眼所感知的颜色取决于入射光的光谱分布与物体反射特性的乘积^[2]。

在生理层面，人眼视网膜中有 S、M、L 三种视锥细胞，分别对短波、中波和长波光敏感，三者的响应比例决定了色觉，这一机制被称为三色型色觉^[7]。视网膜上另有对光敏感但不分辨颜色的视杆细胞，负责暗光条件下的明暗知觉，光线很弱时色觉转由视杆系统承担，颜色辨识能力随之下降^[2]。

基于上述机制，色彩可以用三刺激值加以定量描述。设入射光的光谱功率分布为 $P(\lambda)$，三种视锥细胞的光谱灵敏度为 $\bar{l}(\lambda)$、$\bar{m}(\lambda)$、$\bar{s}(\lambda)$，则三种锥体受到的刺激量为 $L=\int P(\lambda)\bar{l}(\lambda)d\lambda$，$M=\int P(\lambda)\bar{m}(\lambda)d\lambda$，$S=\int P(\lambda)\bar{s}(\lambda)d\lambda$^[8]。光谱分布不同而三刺激值相同的两种光，会被人眼看作同一种颜色，这一现象称为异谱同色^[7]。

graph LR

A[光源光谱 P(λ)] --> C[物体分光反射率 ρ(λ)]

C --> D[进入眼的光谱 E(λ)ρ(λ)]

D --> E[S/M/L 三种视锥细胞响应]

E --> F[视神经编码与大脑处理]

F --> G[色彩知觉]

发展历程

17 世纪，牛顿用三棱镜把太阳光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等色带，说明白光由多种色光混合而成，色散概念由此确立^[5]。牛顿同时指出，颜色并非光本身的属性，光所具有的是引起某种色感的能力^[2]。19 世纪，托马斯·杨提出一切颜色都可由红、绿、蓝三色光混合而成的三色理论，为后来的色觉研究奠定基础^[8]。

20 世纪 20 年代后期，W. 戴维·赖特与约翰·吉尔德分别开展颜色匹配实验，其结果被合并为 CIE RGB 色彩空间的规定^[7]。1931 年，国际照明委员会在此基础上以数学变换定义出 CIE 1931 XYZ 色彩空间，用 X、Y、Z 三刺激值描述颜色，该体系成为许多其他色彩空间的定义基础^[7]。此后，色度学逐步形成一套以仪器测量颜色的方法，并推广到纺织、印染、印刷、涂料、计量、医学等众多行业^[3]。

应用

在工业与商业环节，色彩测量被用于控制产品外观的一致性。色度学以明度、色调、饱和度三个基本属性描述颜色，借助分光光度计或三刺激值色度计取得量化数据，再据此判定色差是否在允许范围内^[4]。分光光度计能给出物体在各波长上的反射或透射数据，可用于预测不同光照下的颜色表现并判断样品之间是否同色异谱；三刺激值色度计则测量快捷，常用于质量控制与色差评估，但无法检测同色异谱^[9]。

在显示与成像领域，色彩再现建立在三原色加色混合的基础上，屏幕以红、绿、蓝三色组合表达颜色，RGB 各取 0 至 255 时可组合出约 1677 万种颜色^[10]。由于色觉是生理与心理共同作用的结果，机器测量与人的目视判断并不总是一致，实际评判往往仍以视觉评估为最终依据^[9]。此外，色彩还被用于安全标识、空间设计与环境营造等场合，例如可见度较高的黄色常用于健康与安全设备及危险信号^[1]。

局限

色彩作为感觉，不能脱离观察者而独立存在，因此无法用单一的物理量完全刻画。有研究者指出，物体的组成、质量与体积可以确定，但色彩知觉具有主观性，难以完全量化^[11]。人的色觉还受周围颜色影响，并存在颜色后像、颜色对比等错觉现象，例如注视某一颜色后转向白色表面会看到其互补色^[12]。

仪器测量也有其边界。三刺激值色度计只能在特定光源与观察条件下给出数值，无法识别同色异谱，也不适用于计算配色配方^[9]。在光线微弱时，视锥细胞功能减弱，人无法清晰分辨颜色，只能依靠视杆细胞感知明暗，这一阶段被称为薄暮现象^[13]。个体之间还存在色觉差异，同一幅图像可能被不同观察者看成不同颜色，其原因涉及入射光线、观察环境与个人生理条件等多方面因素^[14]。

参见

• 可见光 —— 人眼可感知的电磁波波段，是色彩产生的物理前提。

• 视锥细胞 —— 视网膜上负责色觉的感光细胞，其三类响应构成三色型色觉。

• CIE 1931 XYZ色彩空间 —— 基于人眼色觉测定建立的表色体系，是色彩定量描述的基础。

• 色度学 —— 研究颜色测量与再现的交叉学科，为工业色彩管理提供方法。

• 色彩恒常性 —— 视觉系统在不同照明下维持物体颜色相对稳定的能力。

• 薄暮现象 —— 低照度下色觉减弱、明暗知觉占主导的视觉状态。