关于颜色的基本知识——LED知识（五）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

今年5月举办的“第九届中国国际演艺设备与科技论坛”对当今绿色照明与舞台灯光，特别是对LED光源及灯具进行了深入的探讨。大多数发言者都谈到了“色度图”、“色域”等有关颜色的问题。会后，很多灯光师都想多了解一些有关颜色的基本知识，以便更深入地理解LED应用中的色彩问题。本文就简单地谈谈关于颜色的基本知识。

1 色度学的定义和“国际标准眼”

人虽然出生几个月就开始识别颜色，但要把颜色说清楚却不是一件容易的事。现在，有一门专门研究人眼对颜色感觉的规律的科学，这就是“色度学”，它是生理光学的一个分支。色度学研究光的三个属性：色调（色别，就是何种颜色）、饱和度（颜色的浓淡程度）、亮度。这三个属性中，色调、饱和度显得更重要，是色度学研究的重点。因为主要研究色调的“色”和饱和度的“度”，就构成了“色度学”。

严格地说，每个人的视觉并不完全相同，即使在视觉正常的人们中间，也有一定的差别。目前在色度学上为国际上所引用的数据，是由CIE（国际照明委员会）组织若干视觉正常的人进行观测，把这些观测数据取平均值。就技术应用来说，取这组数据的平均值代表人眼的标准数据，已有足够的准确性。因此，代表这种标准数据的眼睛，就称为“国际标准眼”。若某个人的视觉正好与上述一组观测数据的平均值一样，他的眼睛也可以称为“国际标准眼”。色度学的所有数据都是用“国际标准眼”观测得到的结果。

2 颜色的确切含义

在日常生活中，人们常常把颜色归属于物体本身的属性。比如，这张纸是白的，那块布是蓝的等。实际上，我们看到的物体颜色，除了受物体本身的反射特性影响之外，还和照明的条件有关。通常我们所说的颜色都是在阳光下的颜色。一块白色的屏幕，我们称它为“白色”，是因为它对不同波长的光具有同样高的反射特性；如果在黑暗的条件下用红光照射“白色”的屏幕，则屏幕就显示红色。我们说的“蓝色的布”，也同此理。蓝色的颜色本质是，它只反射光谱中蓝色的成分，而吸收了其他颜色的光谱成分。如果在暗室中用红光照射蓝色的布，蓝布将呈“黑色”。这是因为，红光被蓝布吸收了，而它能反射的蓝色光谱，光源中却没有。我们在白炽灯下看蓝色的布，总不如在阳光下显得鲜艳，就是因为白炽灯的光谱中蓝色成分不如阳光中多的缘故。

这些事实说明，人眼看到的颜色，不但取决于物体本身的特性，而且还与照明光源的光谱成分有关，即人眼看到的颜色是物体本身的属性与照明条件的综合效果。我们用色度学的原理来评价，就是指的这种综合效果。

人眼对于颜色的感觉，还存在着“同色异谱”现象。所谓“同色异谱”，就是说，有一个光谱分布，就有一种颜色；但同一种颜色，可以由不同的光谱成分组成。例如，一张白纸的白色，可以由阳光照射得到，也可以由红、绿、蓝三种单色光按一定比例照射得到。彩色电视技术，正是利用了人眼的这种“简并”功能，把实际生活中的万紫千红，首先变成三种颜色（即三基色），然后再在电视接收机上用三基色“复合”成原来的颜色。

3 色度图

既然三基色可以“复合”出各种颜色，那么，有没有什么规定和规律呢？有。

第一，三基色波长有严格规定。作为三基色的“基色”，本来可以在一定范围内任意选取。例如，红色，有很多波长都是红色，绿色和蓝色也是如此。但由于目前色度学的知识已被广泛用于各个科学领域之中，为了便于计算及色彩的还原，CIE已对三基色的波长做了严格的规定，国际上通用的三基色波长是：

红色 —— 700 nm；绿色 —— 546.1 nm；蓝色 ——435.8 nm。

第二，用色度图表示彩色量的混合比例。用三基色“复合”出各种颜色，三基色是三个量，也就是三维坐标，比较复杂，在研究三色混合比例的时候，CIE又规定三基色按一定比例相加得到白色E（有很多种光谱分布都是白色，这里指的是可见光范围内能量都相等的白光，叫等能量白光，色度学中用E表示）。这样一来，三个量就只有两个量是独立的。因为，两个颜色的混合比例定了，第三个颜色的混合比例可以从白光中减去另两个比例得到。这样混色就变成一个二维的量，也就是直角坐标的形式。由此而产生了色度图。

图1就是三基色按不同比例混合得到从380 nm到780 nm可见光的曲线图，然后把图中380 nm的坐标点和780 nm的坐标点连起来，就构成了一个颜色区域（简称色域），这个图叫做1931 CIE-r-g 色度图，简称r-g 色度图。它是CIE在1931年做出的。图中的纵坐标代表绿色光的混合比例，横坐标代表红色光的混合比例。

图1中的曲线像“舌头”，因此叫“舌形曲线”（有的书上也叫马蹄形曲线）。

由于这个舌形曲线应用起来不太方便，CIE经过坐标变换，变成了目前应用最多、最普遍的“标准量彩色系统”。在这个坐标系中，纵坐标为小写y，横坐标为小写x，也是CIE在1931年做出的，因此叫1931 CIE-x-y 色度图，简称x-y 色度图。在标准量彩色系统中，人为地将整个色度图放在直角坐标的第一象限，如图2所示。

为了看图和叙述色度图功能的方便，我们用黑白色度图代替彩色色度图，如图3所示。图3的x-y色度图有如下规律：

（1）舌形曲线上各点代表从380 nm到780 nm的纯光谱色。舌形曲线及其两个端点的连线所形成的色域为一切物理上所能实现的彩色。此色域以外的彩色是不能由真实光线产生的彩色。

（2）等能量白光E的坐标为x = y =1/3。

（3）直线EG代表白光E与光谱色G混合所能得到的一切彩色。从E到G代表色调相同而饱和度不同的彩色。越接近G点，饱和度越高，G点饱和度为100%。

（4）在直线EG上，G点波长叫做等色调波长或主波长。

（5）三角形BER内的彩色不能由白光和任何一种光谱色混合得出，它们没有等色调波长。这时引入所谓补色波长的概念，例如品红色K向白光点引直线并延长，交光谱色轨迹点为M，则M点的波长就称为彩色K的补色波长。品红色K与光谱色M依适当比例混合，就可以得到等能量白光E。在几何学中，把两角之和等于180°的角称为互补角，在色度学中，两个互补的颜色都在通过白色点的一条直线上，而且把这两种颜色依适当比例混合能得到白光，这两种彩色就称为互补色。我们生活中的彩色照片与胶片（负片）中的颜色就是互补色。

（6）图中F1、F2、F和H1、H2、H3等环状曲线称为等饱和度线或等饱和度恒值线。在这些曲线上，色调不同而饱和度相同。越靠近光谱色的曲线，饱和度越高。

4 均匀色度图

在x-y色度图上，每一种彩色都有它相对应的坐标位置，可以精确地测出它的色度坐标（x，y）。理论上，彩色是无限多的，但人眼对彩色的分辨能力是有限的，而且人眼对不同彩色具有不同的分辨能力。在色度图上的每一个点都可用色度计精确测出，但人眼只能看出一个范围。人眼感觉不出彩色变化的范围叫做彩色的宽容度。实践证明，在x-y色度图上，人眼在不同色域的宽容度不同，而且在同一坐标点的不同方向宽容度也不相同，如图4所示。每个椭圆（称为麦克亚当椭圆）表示其内部色彩范围人眼难以分辨，长轴方向比短轴方向色彩分辨率更低。

为了表达人眼对各种彩色基本相等的宽容度，1960年，CIE制定了1960 CIE-UCS均匀色度图（可以通过对1931 CIE-x-y色度图坐标变换得到），如图5所示。在均匀色度图上，彩色的宽容度都近似圆形（图中的圆放大了10倍），它更适合工程上的色度计算和检验，也更符合人眼的视觉特性。

在均匀色度图中，纵坐标用v表示，横坐标用u表示。这个色度图虽然解决了视觉不均匀的问题，但没有亮度坐标。事实上，许多颜色问题都与物体的亮度有关，因此，有必要把1960 CIE-UCS 均匀色度图的二维空间扩充到包括亮度因数在内的三维空间。 1964年，CIE 规定了用“均匀颜色空间”标定颜色的方法，即W*、U*、V*，其中W*含有亮度因数。为了进一步统一评价颜色差别的方法，1976年，CIE又推荐了两个颜色空间及其有关的色差公式，它们分别是1976 CIE- L*U*V* 颜色空间和1976 CIE- L* a* b*颜色空间。目前，我国数字电视显示器的标准中，在规范视频设备的色度误差时，使用了国际标准化组织推荐的1976 CIE- U*、V*色度系统。

5 孟塞尔彩色系统

为界定、区分和标定彩色范围和颜色，国际上最流行的还有“孟塞尔（Munsell）色卡”和“Pointer真实表面色”两个体系。孟塞尔彩色系统（Munsell Color System）是基于色视觉特点制定的物体表面色分类和标定体系。它是一个三维空间模型，表现物体表面色的明度、色调和彩度（与亮度、色调、饱和度对应），如图6所示。1943年，美国光学会又进行了大量光谱、光度测量，并观测了数万人的色视觉，重新编排、增补原孟塞尔图册，制定了“孟塞尔新标系统”。修订后的色样在编排上更接近视觉等距，并给出了各色样的CIE-x-y色度坐标（x，y）及亮度因数。“孟塞尔新标系统”目前已被普遍用于纺织品、涂料、医药和化学制品等非荧光表面色。我国使用的“标准色卡”也参考了孟塞尔色卡。

如前所述，物体色与照明光源的光谱分布有关，孟塞尔物体色的照明光源采用的是标准照明光源C光源，它代表相关色温为6 774 K的平均日光，光色近似于阴天天空的日光，其坐标位于黑体轨迹的下方。

近年来，宽色域显示器件和显示方式有长足进展，以发光二极管（LED）为背景光源的液晶显示器、近似光谱色的激光光源的投影显示器及多元色显示器等已商品化。色域扩展技术已应用在显示器件中，使我们能看到高清晰度、色彩逼真的彩色画面。由此可见色彩在应用中的复杂性。

色度图有多种，标明物体色的方法也有多种方式，但其基础，都是x-y色度图及均匀色度图。因此，掌握应用最多、最普遍的x-y色度图是认识颜色科学的基础，也是学习更多颜色知识的阶梯。从事舞台影视灯光工作的人员，了解了x-y色度图等颜色的基本知识，对认识颜色、提高灯光技术和能力是很有益的。

［1］国家广播电视产品质量监督检验中心，TCL多媒体科技控股有限公司GPC研发中心.数字电视与平板电视中的色度学.人民邮电出版社，2010

［2］施克孝，于宝富.彩色电视照明原理与布光技巧.北京农业大学出版社，1988