绿化灌溉喷头:纽约摄影学院中国学员班 -色彩课堂8：几种常用的色彩系统-

色彩课堂8：几种常用的色彩系统
钱元凯
在上一讲中我们提到两种形成颜色的方法：加色法与减色法，他们又分别对应着两种描述颜色的色彩系统：RGB与CMYK，还提到色彩有三个重要的属性：色相、饱和度与明度。但是用RGB 与CMYK命名颜色时（例如从图1中西红柿与苹果的RGB值）却难于直接判断相应颜色的三个色彩特征。为了能够直观地体现出颜色的三个特征，人们提出了许多表示颜色的色彩模型，其中又可以分成两大类：
一、色彩的混色表示法
混色系统认为各种颜色均是以红、绿、蓝三种色光混合后形成的。对于不发光的色料，其颜色则是由它所反射或透射的三原色色光的比例确定的。因此可通过测定色彩中三原色的比例确定色彩的特性。混色系统最常用的几种表色法都是由国际照明委员会（CIE）制定的，因此这些色彩模型又称CIE表色法。混色法既可用于光源也可以用于反光或透光的物体。
1.CIE1931、CIE1964色度图与CIE-XYZ色彩系统
在上一讲中曾提到色光可以用其中所包含的三种原色光的数值R、G、B表示，称为该颜色的三刺激值。我们把以下三个量称为该颜色的色度坐标：
根据以上三个公式不难看到三个色度坐标间存在着r+g+b=1的关系。此时某颜色C的色彩特性可以表示为C=(r,g,b)。式中的r、g、b表示每种原色在总量中所占的比例。注意到某个光线A=（Ra、Ga、Ba）与亮度大一倍的而色相与饱和度相同的光线2A=（2Ra、2Ga、2Ba）的色度坐标ra、ga、ba是完全相同的，因此色度坐标表达了色相与饱和度相同的那些颜色的共同特征。一般当我们仅关心颜色的彩色特性而不关心明度的变化时，广泛使用色度坐标。由于r+g+b=1，因此我们可以用两个色度坐标（例如r、g）组成的直角坐标系表示三个色度坐标，例如（图2）中C点的bc=1-rc-gc=1-0.6-0.2=0.2。特别是：图中的W点rw=0.333、gw=0.333，bw=1-rw-gw=1-0.333-0.333=0.333，实现了rw=gw=bw，相当于等量的红、绿、蓝光相加，所匹配的是标准的白光，表示中性色白光的色度坐标。
为了便于使用，CIE在1931年对上述色度坐标进行了适当的变换，用3个理想的原色光X（红光）、Y（黄光）Z（绿光）代替RGB，用XYZ的色度坐标xyz代替rgb,此时三个色度坐标间仍满足x+y+z=1的关系,得到了著名的CIE1931标准色度系统及相应的色度图（图3）。色度图又称色品图，CIE1931色度图呈马蹄型，包括了人眼可以见到的所有颜色。色度图中的弧形边界对应于所有光谱中的单色光，最右下侧是波长为700nm的红光，最左下侧是波长380nm的蓝紫光，色度图下侧的直线边界表示不同强度的红光与蓝光可以混合出的各种品色光，这些光线在光谱中没有，只能靠人工合成出来。色度图的边界色是人眼所能见到的饱和度最高的颜色。马蹄型区域内则包括了人眼可以见到的所有颜色的色度（色相与饱和度）值，相应颜色的明度则由垂直于xy平面的高度Y表示。在xy色度图中x=y=0.333的点E也表示白点,过E点垂直于xy平面的垂线是明度轴，轴上的点代表了所有黑、白、灰的中性色（图4）。
因此我们得到了一个用以表示颜色的立体模型，其中的每一个点（例如A点）对应于一个特定的颜色，点A的高度Y表示此颜色的明度，点在xy平面上的投影A’表示此点的色度：从白点E过A’引直线与曲线轮廓相交，交点的波长表示颜色A的主波长，从而表示出颜色A的色相，A到E 的距离表示了该颜色的饱和度，色度坐标距离E越近饱和度越低。通过计算可以得到在2?的观察角D65的光源下，图1中西红柿A区在XYZ系统中的色坐标是明度Ya=10，色度xa=0.59、ya=0.34,图中A′点就是西红柿A部在色度图的xy平面上的投影点。而苹果B区的色度坐标则为Yb=8。xb=0.57，yb=0.29，它对应于色度图中的B′点。直线EA′及EB′与色度图的曲线轮廓分别交汇于A″与B″处，可见西红柿的红比苹果略偏黄（图3），Ya＞Yb表明西红柿更亮些。
色度图不仅能表达各种颜色的色彩特性，还能表现出各种相关色彩间的关系：
⑴（图3）上色度图内的曲线表示出绝对黑体不同色温的色度轨迹，又称为黑体轨迹。相应光源的色度点在此轨迹附近，光源的显色系数越高，与此轨迹的重合度越好。
⑵当某物体的色度坐标确定之后，不同色温的光源下该物体呈现的颜色可由色度轨迹相应点向该物体色度点所引直线与色度图交点的主波长决定。（图3）即显示了D65光源下A与B的主波长。
⑶通过光源色度点E向某颜色色度点所引直线的反向延长与马蹄形轮廓相交，交点处的波长代表了该颜色补色的主波长。例如样品M的补色主波长为480nm（图5）。色度图中直线部分没有相应的波长，则可以用对应的补色光波长表示其色相，习惯上在主波长前标注负号或在后面加注“C”，表明是补色波长,例如样品N的主波长为-500nm。
⑷两种色光以不同强度混合所能形成的颜色全部分布在联结两个颜色的色度点的连线上。混合光色度点到连线两端的距离与两个光线的强度成反比。如（图6）中红光R与绿光G 混合，可能形成的颜色的色度坐标均在直线RG上。
⑸三种不同色光混合所能形成的颜色分布在以三个色光色度坐标为顶点的三角形中。以显示器为例，上一讲曾经指出：显示器显示的颜色都是由红、绿、蓝三种光点融混形成的，因此显示器三种光点的色纯度与饱和度就决定了显示器的彩色显示质量，显然在（图6）中B显示器在色彩饱和度与可显示的空间上都优于A显示器。（图6）中白色折线所包围的范围是某喷墨打印机可以产生的色彩范围，显然它与显示器的色域不同：在红、绿、蓝色上不如显示器.但是青色的色域比显示器略大。由于CIE1931的标准色度图能够十分有效地描述色彩的特征及色彩形成的过程，还可以形象的显示各种硬件系统的色域，因此在涉及描述硬件的色彩特性时得到了广泛的应用。
考虑到人眼在1?—4?小观察角对颜色识别能力与10?较大视场下的差异，国际照明协会在1964年又公布了基于10?观察角下的CIE1964标准色度系统的色度图及相应的计算方法。从（图7）中可见虽然二者的形状与光谱色的位置有所不同，但是对于多数摄影人，可以忽略其中的差别。
CIE1931色度图有一个致命的缺陷，它是一个视觉非均匀的系统。我们把视力难以察觉的颜色变化的范围称为颜色的宽容量，可以用色度图中椭圆区域表示某种颜色的宽容量，麦克亚当的试验表明在CIE1931或CIE1964色度图中（图8），25种颜色的宽容量及椭圆长轴的方向均不相同，尤其是绿色的宽容量比蓝色的大30余倍，这表明在这种系统中无法建立一个对各种颜色均适用的统一的公差范围，因此这两种色度系统很难用于色彩的质量控制与质量评估。
2.CIE1976L*u*v*均匀色彩空间
国际照明协会首先于1960年在CIE1931色度图的基础上压缩绿区，拉伸蓝区，推出一种新型的色度图，此后几经修订，最后成为CIE1976 L*u*v*均匀色彩空间，它用L表示明度，用u、v作为色度坐标。从（图9）可见，在L*u*v*色度图上，25种颜色的宽容量椭圆区大小比较一致，表明这是一种比较均匀的颜色空间，可以用两个色度点之间的距离直接表示颜色的差异。目前常用于表示光源色及彩色电视机的色彩监控与测量。

3.CIE1976L*a*b*均匀色彩空间。
此色彩空间由3个互相垂直的坐标轴a*、b*与L*组成：其中＋a*（a轴的正方向）表示红色、-a*（a轴的负方向）表示绿色，＋b*（b轴的正向）表示黄色、-b*（b轴的负方向）表示蓝*色。数值均在＋120-— —120之间。L*表示明度，其值在0—100之间。显然在L*a*b*色彩空间中点的高度表示明度（L），以明度轴为中心，色度点的半径表述饱和度（C），过色点的半径绕L轴的夹角表示该点的色相角（H），由此组成一个以L轴为轴心的L*c*h*圆柱坐标系（图10）。在Photoshop中用拾色器点击（图1）中的A区与B区，在拾色器对话窗中直接显示A区的色度LA=38、aA=51、bA=44,B区的色度值LB=34、aB=50、bB=23。从LA>LB可知西红柿的A区明度更高。将这两个色度坐标标注到L*a*b*的色彩空间上（图12）立即显示出西红柿比苹果更偏橙黄色，而且饱和度略高。
在L*a*b*色彩空间中：两个色点间半径之差表示饱和度之差,高度之差△L表示明度之差，色相角之差Δh表示色相差。两个点之间的距离：表示两种颜色间的总色差（图12）。
L*a*b*色彩空间是一个比较均匀的色彩空间，只要两个色点间的距离相同，二者间颜色的差异给人的感觉都是相同的。L*a*b*色彩空间的均匀性优于L*u*v*，因此实践中常常设定一个ΔE作为控制色彩的公差。常用的色差值如下表所示：
（附表）常用色差公差的效果与用途
    色差ΔE 　　　　　　　　　效果与用途 0.2—2 颜色匹配的临界点，可以感觉到极轻微的色差。 2—4 有较明显的感觉，在进行并列对比的颜色匹配时可以接受。 4—8 有显著的感觉，在进行非并列对比的颜色匹配时可以接受。 8以上非常显著的色差。　　最后，由于L*a*b*的色彩空间十分宽阔，包含了自然界中所有的颜色，而且可以适用于各种硬件设备，因此现在广泛用于染料、颜料、油墨工业，今后我们在数字影像的色彩管理与色彩控制中也主要使用L*a*b*色彩空间。
4.HSB色彩系统
HSB色彩系统与L*a*b*有些类似，也是一个圆柱状的色彩系统（图13），也是用高度表示明度（B）、用半径表示饱和度（S）、用圆周方向的色相角表示色相（H）。但是它的色相分布的规律与L*a*b*不同：色相角0度、120度、240度方向对应红、绿、蓝，色相角60度、180度、270度方向对应黄、青、品，因此在它的色相圆上，任意一条半径的两端的颜色恰为互补色。由于它直接用颜色的三个特征作为建立色彩空间的3要素，因此利用他的色值可以直接判断出颜色的特性。在Photoshop中用拾色器工具点击西红柿与苹果的A区与B区，从拾色器对话窗中可以直接读出西红柿A区的色值为Ha=9、Sa=81、Ba=57（图11），苹果B区的色值为Hb=350、Sb=73、Bb=51。显然直接比较这两组色度值即得知：西红柿略偏黄，亮度与饱和度均略高，与前面在XYZ及L*a*b*系统中得到的结论相同。
二、色彩的显色表示法
“显色表示法”就是用一系列色卡来表示不同的颜色，依靠目视比较样品与色卡，判断样品的颜色与误差。其中最有名的是“孟塞尔颜色系统”。
孟塞尔颜色系统是在100多年前由美国画家孟塞尔建立起来的色彩模型。它的色彩结构也是以高度表示明度、半径表示彩度（饱和度），圆周表示色相（图14a）。但是它仅包括人眼实际可见的颜色，因此它的色彩空间是不对称的（图14b）。色卡的分布如（图14c）所示。孟塞尔颜色系统具体的构成方法是：颜色模型沿高度方向分成11层表示不同的明度值（V），最下面一层V=0表示黑，最上面一层V=10表示白。模型的中心轴是由黑、灰、白组成的无彩色的中性轴（图14a、图15）。以中性轴为轴心，沿圆周方向分成10份表示不同的色相（H），其中有5个主色：R（红）、Y（黄）、G（绿）、B（蓝）、P（紫），每两个主色间又插入一个间色：YR（黄红）、GY（绿黄）、BG（蓝绿）、PB（紫蓝）、RP（红紫）。每种色相又分成10个小区，编号为1—10,以便区分更细微的差异。其中第5号为该区内最纯的颜色，小于5号的颜色偏向于1号相邻的颜色，大于5号则偏向于10号相邻的颜色（图 15a）。以中性轴为圆心用半径表示样本的彩度（C），中性轴半径为0,无色彩。半径越大，彩度（饱和度）越大，最大的彩度可达C=20,（图15b）就是色立体5Y与5PB纵切面的色彩分布图 。孟塞尔颜色系统的标号不仅能取整数值，还能取小数值，以满足更精确的计量。
任何颜色都可以用孟塞尔颜色系统的标号标定，其书写的顺序为：
HV/C=色相 明度/彩度。
例如奥运会会徽红环的孟塞尔标号为6R4/15，表示其在红色的6区，明度第4级，彩度15级，显然这表示一个高饱和、略暗的较纯的红色（图16）。
对于中性色，由于饱和度为0 ，略去彩度值，颜色标号表示为：
NV/=中性色 明度。
例如奥运会徽的黑环的孟塞尔标号为N1/，表示和明度值为1的纯黑色。
    使用孟塞尔颜色系统时，不需要任何测色的仪器，只需将样品与孟塞尔颜色图册的颜色卡片进行目视匹配，找出与颜色样品相同的色卡，即可以从色卡中读出样品的孟塞尔标号。此外，孟塞尔颜色系统建立时遵循了视觉等间隔配置的原则：无论在色相（H）、明度（V）还是彩度（C）方向，只要两个颜色的差值相同，颜色外观的视觉差异也是相同的。因此孟塞尔颜色系统还能用于建立色彩公差，检验工业生产中产品的色彩差异。孟塞尔系统因为其历史性、使用性、标准性及广泛性，至今仍在工业生产中得到广泛的应用。
孟塞尔系统只能用于检测（不透明）物体的表面色，不能用于检测透明物体与色光的颜色，这是其重大的缺陷。
目前在色彩的显色表示法中除孟塞尔系统之外，还常使用奥斯瓦尔德校色系统、瑞典的自然色系统、美国的潘通（Pantone）配色系统等。他们都有各自的立体色彩模型与颜色图册，并都在不同的生产领域得到了成功的应用。
至此我们已经建立起了有关色彩的最基本的知识，从下一讲我们将正式介入有关色彩管理的内容了。