數字色彩與色彩理論

數字色彩與色彩理論
2.1 混色系統 CIE 與顯色系統HVC
由於數字色彩理論的嚴重滯後，我國的數字色彩設計一直處於混亂狀態。大、中專學校的藝術設計教學中見不到關於數字色彩的課程，部分色彩教師不知道何為“混色系統”和“顯色系統”，更有甚者分不清光色的“三原色”與顏料的“三原色”以及它們之間的相互關係。 “色彩構成”課程，在今天顯得殘缺和幼稚，數字色彩在課堂上沒有一席之地。這是輕視色彩學習、缺乏色彩理論和色彩實踐導致的結果。
數字色彩並不是憑空產生的，它以現代色度學和電腦圖形學為基礎，採用經典藝用色彩學的色彩分析，是色度學與藝用色彩學在新的載體上的發展與延伸。
 2.1.1 混色系統 CIE 它是數字色彩的基礎
現代色度學是我們認識色彩的基礎，它給色彩應用制定了國際通用的色彩標準。1931年，國際照明委員會（簡稱CIE）在劍橋舉行的CIE第八次會議上，以CIE－RGB光譜三刺激值為基礎，統一了“標準色度觀察者光譜三刺激值”，確立了CIE 1931－XYZ系統，稱之為“XYZ國際座標制”，從而奠定了現代色度學的基礎。
由x，y，z三基色作軸的xyz錐形空間是一個三維的色彩空間，它包含了所有的可見光色（CIE 三維色彩空間 ）。這個三維的色彩空間從原點O開始延伸第一象限（正的八分之一空間），並以平滑曲線作為這個錐形的端面。從原點作射線貫穿這個錐體，射線上的任意兩點表示的彩色光都具有相同的彩度和純度，僅僅亮度不同。
這個馬蹄形的CIE色度圖（也稱色品圖），包含了可見光的全部色域。通過CIE色度圖，我們可以測量任何顏色的波長和純度；識別互補顏色；定義色彩域，以顯示疊加顏色的效果；還可以用CIE色度圖比較各種顯示器、菲林、印刷、印表機或其它硬拷貝裝置的色彩範圍。CIE色度圖是一個二維空間，它只反映了光色的彩度和純度，沒有亮度因素。
 2.1.2 顯色系統HVC（孟塞爾系統）它是經典（顏料）色彩的基礎
經典藝用色彩學是一種以顏料色彩為載體、偏重色彩心理屬性研究的色彩理論體系。它的物理基礎是一種顯色系統，最常見的是孟塞爾的HVC色彩體系（ 蒙塞爾色立體）。它是經典顏料色彩的基礎。
孟塞爾顯色系統HVC是美國畫家孟塞爾創立的。1915年《孟塞爾圖譜》首次出版。它是目前國際上作為分類和標定物體表面色最廣泛採用的方法（包括顏料、彩色油墨、印刷品等）。美國、日本、英國、中國等國家的標準顏色都是基於孟塞爾系統的；我國的藝術色彩教學也以孟塞爾系統為基礎。
孟塞爾顯色系統著重研究顏色的分類與標定、色彩的邏輯心理與視覺特徵等，為經典藝用色彩學奠定了基礎，也是數字色彩理論參照的重要內容。
2.2 數字色彩的混合與RGB色彩模型
2.2.1 色彩的三刺激與顏色的三基色
我們假設人類眼睛的視網膜中存在三種錐體細胞，它們分別對紅、綠、藍三種色光最敏感，根據人眼光譜靈敏度實驗，我們可以得到這三種細胞最敏感的色光的波長。由於實驗結果得到用來測定光譜色的原色出現負值，計算起來很不方便，科學家們選擇了三個理想的原色：（X）、（Y）、（Z）。（X）代表紅色，（Y）代表綠色，（Z）代表藍色，這三個顏色不是物理上的真實色，而是虛構的假想色
馬蹄形的CIE色度圖就正好適合在這個XYZ三角形中。（如前圖 CIE 三維色彩空間）
在顏色匹配實驗中，我們可以選取任意三種顏色，由它們相加混合後能產生這個範圍內的任何顏色，那麼這三種顏色就稱為三原色或三基色。紅（R）、綠（G）、藍（B）是最常用的三基色，也是後來電腦顯示顏色的三基色。
 2.2.2 色光的加色法混合與RGB色彩模型
R、G、B三色是常用的光的三原色，紅（Red，記為R）、綠（Green，記為G）、藍（Blue，記為B），它們是電腦顯示器及其它數字裝置顯示顏色的基礎。RGB色彩模型是數字色彩最典型、也是最常用的色彩模型。它屬於加色法混合，是一種光源色的混合模式。
加色法混合的特徵是：（1）兩種不同的彩色光混合產生另一種顏色，且色光混合的次數越多、強度越大，得到的顏色越明亮；（2）如果兩種色光混合成白色，它們就被稱為互補色；（3）三基色可以混合出其集合範圍內的所以顏色；（4）紅( R )、綠( G )、藍( B )三色等量相加產生中性灰色,當R、G、B三色達到最高值時，它們相加後的結果產生白色。
在笛卡爾座標系裡（RGB色彩模型 ），RGB色彩模型可以用一個三維的立方體來表示，座標原點代表黑色（0，0，0），座標頂點代表白色（1，1，1），座標軸上的三個立方體頂點分別表示R、G、B三個基色，餘下的三個頂點則表示每一個基色的補色，它們分別由同一平面上的兩個相鄰的頂點加色混合而成。從黑色原點到白色頂點的主對角線上的所有色彩，是無彩色系的灰階顏色。
2.2. 3 電腦的RGB色彩選取和數字輸入
 在使用電腦進行主要用於電子顯示色彩的設計時，我們可以選擇RGB色彩模式。RGB色彩模式採用的是DIE 三維色彩空間，R、G、B三種顏色的色彩數值從 0—255， 共256極，是2的8次冪，與電腦顯示器電子搶的強度等級是一致的。0 表示色彩強度最弱（即沒有色彩）的狀態，呈黑色；255表示色彩強度最強（即色彩純度最高）的狀態，呈最飽和色。當三種顏色的色彩數值都是0時，它所表現的地區就呈黑色；當三種顏色的色彩數值都是255時，它所表現的地區就呈白色；在處於其它色彩數值的情況下，就會顯示出各種不同的顏色。
2.3 數字色彩的三屬性與HSV（HSB）色彩模型
 2.3.1 色彩的客觀三屬性與主觀三屬性
 在經典藝用色彩學中，我們只知道一種“色彩三屬性”，實際上它只是對人們主觀感受色彩的心理描述，建立在人的主觀基礎之上的對色彩屬性的描述，色度學稱之為“色彩的主觀三屬性”。 色彩的主觀三屬性包括：色相（Hue，記為H）、飽和度（Saturation，記為S）、 明度（Brightness，記為B）。色相（H）是指色彩的相貌，即紅、黃、綠、青、藍、紫等；飽和度（S）是指某種色彩含有該色彩份量的多少的程度，在傳統的美術圈裡，大多數人把“飽和度”稱作“純度”；這在小範圍的用筆和顏料進行創作的美術圈內使用還無傷大雅，但用到數字色彩中就會引起混淆，因為色度學中的“純度”（purity）是用來描述光譜色彩的；明度（B）是指色彩的明亮程度。
色彩還存在客觀的三屬性，它包括: 主波長（dominant wavelength）、純度（purity）和亮度（luminance）。主波長是所見彩色光中占支配地位的光波長度，它決定色光的色彩（色相）；純度是光譜純度的量度，即純色光中混有白色光的多少；而亮度是指光的明亮程度。它們是三個物理量，可以用儀器測量來得到。這三個物理量對光色特徵的描述，與色相、明度及飽和度是等效的。根據CIE三維色彩空間，我們可以計算出顏色的主波長和純度，可以直接通過三刺激值中的Y值來表示亮度因素。
 2.3.2 人眼對顏色的視覺
在人的視網膜上分布有兩種細胞，一種是“杆體細胞”,它可以接受微弱光線的刺激，只能讓人們在月光甚至星光下極暗的環境裡分辯出物體的形狀和“黑”與“白”，不能分辨出顏色。視網膜上的另一種細胞叫“錐體細胞”,它只有當亮度達到一定水平時才能被激發，是人眼顏色視覺的神經末梢，能分辨物體的細微結構和顏色。人眼對色彩的分辨能力因光譜顏色的差異而有所不同。
我們大概能區分128種不同的色相和130種不同的色飽和度等級。根據所選的顏色又可進一步區分若干個等級的明暗差別。對於黃色，能分辨出23種明度；對於藍色，能分辨出16種明度。因此，我們就能計算出人眼大約能分辨出的顏色總數：128 * 130 * 23 = 282720 ，共二十八萬二千七百二十種。這就是一些書上常提到的人類的眼睛可以分辨幾十萬種不同顏色的緣由。
 2.3.3 HSV（HSB）色彩模型
 HSV色彩模型從CIE三維色彩空間演變而來，它採用的是使用者直觀的色彩描述方法，它跟孟塞爾顯色系統的 HVC 球型色立體較接近。(HSV 色彩六稜錐)只不過HSV色彩模型是一個倒立的六菱錐，只相當於孟塞爾球型色立體的一半（南半球），所以不含黑色的純淨顏色都處於六菱錐頂面的一個色平面上。在HSV六菱錐色彩模型中，色相（H）處於平行於六菱錐頂面的色平面上，它們圍繞中心軸V旋轉和變化，紅、黃、綠、青、藍、品紅六個標準色分別相隔60度。色彩明度（B）沿六菱錐中心軸V從上至下變化，中心軸頂端呈白色（V = 1），底端呈黑色（V = 0），它們表示無彩色系的灰階顏色。色彩飽和度（S）沿水平方向變化，越接近六菱錐中心軸的色彩，其飽和度越低，六邊形正中心的色彩飽和度為零（S = 0），與最高明度的V = 1相重合，最高飽和度的顏色則處於六邊形外框的邊緣線上（S = 1）。
 (1) 色相、飽和度與六稜錐色平面（H和 S）
 色平面（H、S）的基礎是CIE色度圖的x、y色平面
 (2) 明度與六稜錐中軸色（v）
 色明度（V）的基礎是 CIE三維色彩空間的亮度因素Y。
2.3.4 電腦的HSB色彩選取和數字輸入
HSV色彩模型在電腦軟體裡常用HSB色彩模式來表示，跟HSV色彩模型一樣，H表示色相，S表示色彩飽和度，B表示色彩明度（相當於V）。最直觀的標記法是corel DRAW 中的“CMYK 3D減色法”。
2.4 數字化色彩的分類與CMYK色彩模型
 由於CIE色度圖是一個二維空間，它只反映了光色的彩度和純度，沒有亮度因素， 為了全面地描述所有的色彩，還必須指出其亮度特徵。根據CIE三維色彩空間，我們可得到一個既表示彩度和純度的色度座標x、y，又表示顏色亮度特徵的亮度因素Y的立體表徵圖，（Yxy 表色方法）其中亮度因素從0％—100％，這也是CMYK色彩模型的色度學基礎。
2.4.1 CMY是RGB的補色
 CMY三色分別是青色、品紅色、黃色。青（Cyan, 記為C）、品紅（Magenta，記為M）、黃（Yellow，記為Y）是印表機等硬拷貝裝置使用的標準色彩，它們分別是紅（R）、綠（R）、藍（B）三基色的補色。印表機等硬拷貝裝置把C、M、Y顏料通過紙張等介質列印成圖片後，我們就能通過反射光來感知圖片的顏色。CMY色彩模型也是數字色彩常用的色彩模型，它屬於減色法混合，是一種顏料色彩的混合模式。減色法混合的特徵是：（1）兩種不同的顏色混合產生另一種顏色，且顏色混合的次數越多，得到的顏色就越灰暗、越混濁；（2）C、M、Y等各種顏色等於從白光中減去它們各自的補色。如：青色等於從白光中減去紅光。（3）青（C）、品紅（M ）、黃（Y）三色等量混合產生中性灰色, 當C、M、Y三色達到最高值時，混合的結果產生黑色。在實際應用中，由於顏料的化學成分和介質吸收等原因，C、M、Y三色混合後不會產生真正的黑色，因此在列印時要多加一個黑色（Black, 記為K）作為補充。
 在笛卡爾座標系裡，CMY色彩模型也用一個三維的立方體來表示，（CMY 色彩模型）與RGB色彩模型不同的是，CMY的座標原點代表黑色（0，0，0），座標頂點代表白色（1，1，1），相當於把RGB立方體倒過來。
2.4.2 CMY是模仿顯色系統的減色法色彩模型
 CMY三色就是我們從小學畫是常常聽到的所謂紅、黃、藍三原色，它們的色相跟繪畫顏料的湖藍、玫瑰紅、檸檬黃接近。電腦裡的CMY色彩模型，就是模仿顯色系統的減色法色彩模型。
2.4.3 有彩色系的色平面 (HSV 色彩六稜錐)
2.4.4 無彩色系的黑色
2.4.5 電腦的CMYK色彩選取和數字輸入
 從 1— 100
2.5 數字色彩對兩種系統的綜合
 數字色彩源於經典藝用色彩，它以新的載體形式出現，形成了自已獨特的技術標準、色彩模型、顏色地區、色彩語言等等。完整的數字色彩理論將是一種集現代色度學、電腦圖形學和經典藝用色彩學為一體的整合色彩體系。
孟塞爾顯色系統HVC早於CIE 1931－XYZ系統，從色域的涵蓋來看也遠遠小於CIE 1931－XYZ系統。由於孟塞爾顯色系統主要研究顏料色彩，早期實用於繪畫、印刷等領域；而CIE 1931－XYZ系統主要研究光學色彩，實用於相關的工業應用領域，以至於兩種系統各自獨立的發展。特別是在造型藝術相關的領域裡，幾乎不提及CIE 1931－XYZ系統，人們只知道與顏料相關的“色彩學”，不知道與光色相關的“色度學”，更不瞭解CIE混色系統、色度圖和比顏料色彩更為寬闊的色域。
 電腦的問世，特別是電腦圖形學的應用，迫使畫家、設計師不得不跳出原來的小圈子，站在一個不同的高度來審視所要面臨的色彩世界，孟塞爾顯色系統和CIE 混色系統在20世紀後半葉實現了整合。
 數字色彩的整合涉及兩個方面：
2.5.1 色彩系統的整合
經典藝用色彩的基礎建立在“孟塞爾色彩系統”的顏料色彩之上，它是一個顯色系統，只研究物體的反射光和色彩的減色模式，它的理論闡述和設色應用只局限在一種色彩系統裡內； 數字色彩的基礎建立在“CIE 1931－XYZ系統”的光學色彩之上，是一個混色系統，主要研究物體的發射光和色彩的加色模式。整合後的數字色彩，由於囊括了色彩從產生、擷取到實現的全過程，它將整合顯色系統和混色系統兩種色彩系統的理論，以及光學色彩與顏料色彩的加色模式與減色模式。
2.5.2 色彩模型的整合
經典藝用色彩使用的是孟塞爾色彩系統的HVC是經典藝用色彩的色彩模型，簡稱孟塞爾色立體，它象一個扭曲的偏心球體。（ 蒙塞爾色立體）孟氏色相環以紅、黃、綠、藍、紫5種色為基礎色相，中間加入黃紅、黃綠、藍綠、藍紫、紫紅5種過渡色相，每種色相又細分為10個等級，共計100個色相。孟塞爾色立體它跟數字色彩的HSV色彩模型比較接近，兩者的主要區別是明度的中性灰色與飽和度（純度）之間的對應關係；最飽和色的等色相面與明度中心軸的傾斜角差異。整合後的數字色彩模型，以RGB色彩模型為基礎，根據不同的應用需要，兼顧基於硬拷貝的CMY色彩模型和基於使用者的HSV色彩模型。
在具體的能產生數字色彩的圖形軟體中，各種色彩模式也是可以相互轉換和相互串連的，我們在RGB模式裡輸入色彩數值，同時可以看到它換算成CMYK或HSB或Lab等色彩模式的數值對應。
2.5.3 數字色彩的幾個基本問題
 數字色彩源於經典藝用色彩，它以新的載體形式出現，形成了自已獨特的技術標準、存在方式、色彩模型、顏色地區、色彩語言、變化規律等等。我們學習數字色彩，必須明確以下幾個基本問題：
 （1）經典藝用色彩的基礎是建立在“孟塞爾色彩系統”的顏料色彩之上的，是一個顯色系統；而數字色彩的基礎是建立在“1931 CIE－XYZ系統”的光學色彩之上的，是一個混色系統。二者的基礎不同。前者是減色模式，只研究物體的反射光；後者是加色模式，以研究物體的發射光為主。
 （2）藝用色彩學成熟於20世紀10年代，偏重色彩的心理屬性研究；而現代色度學產生於20 世紀30年代，偏重色彩的物理屬性研究。
 （3）經典藝用色彩是局限在一種色彩系統裡（顯色系統）的色彩理論；而數字色彩是包容了兩種色彩系統（顯色系統和混色系統）的色彩理論。
 （4）數字色彩的理論以經典藝用色彩學為前提，藝用色彩學的色彩三要素、色彩的心理感應、色彩的對比與調和、色調等，都是數字色彩要涉及的基本內容。
 （5）數字色彩與經典藝用色彩主要存在不同的色域、不同的色彩明度與飽和度界定及其不同的表達