色彩学 | 大杀器 · CIE色度图(中)
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书接上回。
上一篇《色彩学 | 大杀器·CIE色度图(上)》介绍到,科学家们寻找颜色的“原子”的努力“失败”了,但它带来了一种全新的表色法:
过去以蒙赛尔颜色系统为代表的表色法,是根据物体最后呈现出来的颜色外观来编号的,这就是所谓的“显色系统表色法”。它们的一大特征,是会根据人对颜色的心理感受(色调、明度、饱和度)来对颜色进行编号和排序。
而以CIE 1931系统为代表的,则叫做“混色系统表色法”。它主要根据三原色的混合规律来编码,颜色三属性在它这里表现得就不明显。
所以它跟蒙赛尔等其他表色系统看起来完全不是一挂的 ╮( ̄▽ ̄)╭
虽然CIE 1931系统一眼看去,既不直观又不顺眼,但它有一个堪称“必杀技”的优点:可以精确的预测混色结果。
也就是说,如果已知两个颜色的光谱数据,就可以用很简单的办法、准确的知道他们混合后的新颜色长什么样(把两者的光谱数据直接相加,再计算三刺激值,最后得到色坐标)。
要知道,这可是之前人类从未get过的技能点~
点开这个技能点之后,色彩学的技能树就开始嗖嗖嗖往上涨长~
首先,由于颜色混合的线性规律,两个颜色混合后的新颜色,一定位于两者连线之上。
另外,我们已经知道,从380nm到780nm的光谱色在CIE 1931 RGB色度图上的轨迹长这样:
而所有人眼能识别出来的颜色,都由单色光相加而成,因此上图曲线上的任意两点画出来的线段所覆盖的范围,就是“人眼能看见的所有颜色”的区域大小。这就是人眼分辨能力的极限。
把这个区域用彩色填充出来,就长这样:
注意看,下面的这条直线,是380nm和780nm的连线。它构成了色域的另一个边界。
不过,上面边界的曲线是和单色光一一对应的,而下面边界的这条直线却没有单色光对应,而是两个光谱色的混合色轨迹。因为它是红色和蓝色的混合,所以主要是紫色的。这意味着,没有单色光形成的紫色。所有带紫的颜色,什么紫红色,品红色,都是所谓的“谱外色”。(这是不是就是紫色让人感到神秘的原因呢?)
这样一曲一直两条线一合围,就是我们通常看到的色度图的样子了:
长得像个马蹄,所以有时候也开玩笑叫它马蹄图~笑过之后,要注意一下这个形状。它是一条凸形的曲线对不对?
所以任何两个单色光混合的新颜色,要么就正好踩在光谱轨迹上,要么就在光谱轨迹包围的面积之内,绝不会跑到外面去。
所以有的色度图就把色域以外的部分填充为黑色,意思就是“这片儿啥也没有啦”。
经过CIE的刻意设计,当XYZ三刺激值达到一个均衡状态的时候,就会形成白色。位于(x=0.3333, y=0.3333)位置的点,代表着三原色各占1/3,就是一个理想的等能白光E。
中间这一大片,都是各种不同的白色。也就是是饱和度为0的消色(可能是黑色,也可能是白色)。
其中,除了专门用于理论研究的、假想出来的等能白光E点之外,还有个非常重要的白点:C点。它的全称是CIE标准光源C,相当于中午阳光的颜色。(注意看一下上图,光源C和E的位置相隔不远,C略比E色温高一点。)
那么从色度图上,如何看颜色的三属性呢?
色相(主波长)
假设现在有一个颜色点Q。
由C通过Q作一直线至光谱轨迹,相交于S点,此时就称Q颜色的主波长为S。S的色相就是Q的色相(一个近似,不完全准确)。
纯度(饱和度)
Q离开C点(或者E点)、接近光谱轨迹的程度,称为纯度,约等于饱和度。
从图上可以看出,越靠外的颜色点,越接近饱和度最高的光谱色。所以颜色的饱和度是越靠近边界越高,越靠近白点越低。
明度
至于明度嘛。。。色度图是一个二维的图对不对?而色空间是一个三维空间,所以色度图是不包含明度信息的。
也就是说,色度图的坐标,标注的是RGB三原色之间的比例,是相对大小,不是绝对大小。白色和黑色对它来说坐标一样,所有低明度的颜色在色度图上都没有,这一点要注意。
总结一下:
好了,现在我们有了色度图的帮助,原来的很多概念就能得到非常直观的呈现:
色域
我们已经知道,G和B形成的混合色,颜色坐标会在G和B的连线上。反过来说,G和B的连线上所有的颜色,都可以由G和B混合实现。
那么,如果再添加一个R光,就会在色度图上形成一个三角形对不对?这个三角形里的所有的颜色,都可以通过RGB三色的混合而形成。这不就是RGB加法色的色域吗?
这个三角形面积越大,能显示的颜色也就越多。
但是,不管如何选择RGB三原色的坐标点,都不可能覆盖整个CIE色域。这就是光谱轨迹的形状所决定的。
因此采用三原色混合色生成人眼能看到的所有颜色,从理论上来说就是不可能的。
为了让显示器达到更大的色域,只能尽量让RGB三原色的坐标越靠外越好,也就是RGB三原色的饱和度越高越好。
But,由于材料物理特性的限制,饱和度提高,亮度就会相应的下降。想要亮度不下降,就得加钱。。。所以,一个商业用的显示器,色域一定是综合考虑饱和度、亮度、成本的折中方案。
还有一种扩大色域的方案,就是增加一个原色,从三角形变成四边形。多年以前,Sharp曾经在的他家的电视上推出了“四色技术”,在RGB的基础上增加了黄色。从实物的效果看,的确很赞!除了贵没别的缺点。。。╮(╯_╰)╭
另外,可不可以不用RGB做三原色呢?
其实,也可以啦~
在色度图上另选出3个不在一条直线上的点,只要能形成一个三角形,而这个三角形还可以把白色区域包含进去,就可以做三原色。
CIE色度图的中心有一个类似椭圆的区域(用红色箭头标注),就是白色/近白色的区域。
三原色覆盖的范围,一定要大于这个区域。否则某两个原色相加,可能会出现白色,或者是混合出来的新颜色饱和度太低没法看。。。
大家可以在图上比划一下,虽然也有其他的三原色可以选用(如黑色虚线所示),但由于白色区域的形状的限制,仍然是RGB三原色覆盖的范围更有大、更有可能得到饱和度更大的混合色。
所以从早期的笨重无比的CRT电视,到等离子电视,到液晶显示屏,到彩色电子纸屏幕,所有采用色光加法色的系统,都用RGB做三原色,就是因为RGB可以实现色域的最大化。(我们平时最常见到CIE 1931色度图的时候,就是比较各种色域大小的时候,有木有?!有木有?!)
色相环
在色度图里面画一个圈儿,是不是就是色相环了?
色相环可以视为一个简化版的色度图。
补色
连接颜色R和白色E,画一条直线,青色正好在这条直线上。那么也可以说,C和R混合,可以形成白色,所以C和R是互补色。这也就是为什么我们说色相环上相对180°的颜色是互补色的原因。
要注意的是,白色其实是一片很大的区域!而不是一个点!
所以互补色其实也不是唯一的,也是一片很大区域。
冷知识
1、其实不同的观察者,对颜色的感觉是不一样的。比如年龄就会影响人对颜色的感觉。
所以颜色匹配试验的数据,是对很多人的测试数据取平均,代表了人眼的平均颜色视觉特性。
这个实际上不存在的、代表中值水平的观察者,被叫做“标准色度观察者”。
所以如果你觉得自己的颜色感觉和CIE有那么一丢丢不一样,其实是正常的~
2、颜色匹配试验,是以J.Guild、W.D.Wright为代表的科学家开创的。他们的实验里参与测试的观察者数量非常少。。。比如参与Guild实验的只有7名观察者,Wright的也只有10名。。。
看到这个样品数量我也是醉了。。。即便是这样,也得到了”惊人的准确“的数据。。。
3、之前我们说过,CIE 1931色度图诞生的几十年前,赫姆霍兹就画了这么张图:
Hypothesized graph of color mixing based on the relative intensities needed to produce white (Helmholtz 1855a, Tafel I, Figure 5).
赫姆霍兹研究对比色(单色光)生成白色的色光强度对比图(离白点越远,强度越大)
你就说像不像吧?!
关于这张图,我个人的不负责任的猜想是这样的:赫姆霍兹要用不同的光谱色匹配出白色。
首先,他把待测试的光谱色按照波长的顺序排成一条直线,并把对应的颜色点标注在相应波长的位置上。然后,在颜色点上衍生出一条线段。线段的长度和匹配白光所需的强度成正比。最后,线段的另一头接到白点上。
这样,就把光谱轨迹很自然的弯成了一个凸型的曲线。这和我们在CIE色度图上进行互补色匹配白点的规律是一致的。
所以这事儿吧,我的感慨就是,“科学共同体”真的是存在的。科学家们从不同的路线出发,时隔几十年又相遇了。(当然是我自己瞎想想了。。。因为没找到原文,找到了也看不懂。。。原文是德语的。。。)
好了,终于写完了!
这么长一篇,坚持看下来的都是勇士!
图源 | 维基百科
表情 | 银魂·伊丽莎白 ⊙_⊙
字体 | 造字工房悦黑 | 李旭科漫画体
作者 | endlessring
来源 | 颜色的前世今生
THE END
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