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2023-10-30
色相环上颜色的连续性与均匀性解析
【摘要】：颜色是由光引起的。在复频谱色度图上可辨别颜色的宽容度大约为2°。但是进一步分析，它的色相均匀性不及复频谱色度坐标上频率与相位一一对应的均匀性好。图4-6色相在频率域上的分布图4-7色相在波长域上的分布图4-6和图4-7清楚地表明了频率与波长的变化对相位角度的影响是不同的，反映在色相的均匀性上也是不同的。
当年牛顿用三棱镜将日光折射出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，在紫与红之间加上紫红色，将它们排列成环状，后人称为牛顿颜色环。人们注意到，这八种颜色之中，每相邻两个颜色之间，颜色由一种过渡到另一种，用眼睛很难分辨出其变化界限。当两种颜色区别比较明显时，人们可以用红、黄、绿、蓝命名并加以区分，进一步还可以增加玫瑰红、粉红、金光红、橙黄、柠檬黄、草绿、天蓝、深蓝将其细分。但是，用命名的方法区分颜色显然不是最好的方法。
颜色是由光引起的。人类的颜色视觉最适应的是日光等热辐射光源。它辐射的是连续光谱，在该光源照射下产生的颜色，其色相的变化当然也是连续的。在连续光谱上产生的颜色，从理论上说可以有无限多种，但是凭视觉人们能够分辨出的颜色大约有180种。在复频谱色度图上可辨别颜色的宽容度大约为2°。显然，面对这么多种颜色，用命名的方法对颜色加以区分，既不容易记忆，更无法量化与计算。
光的频率是连续变化的，在复频谱上与频率对应的相位当然也是连续变化的。频率与相位有着明确的物理属性，所以我们采用相位来区分颜色，称“色相”。
在光色实验中，人们习惯采用波长标记颜色的色相或色调（hue），波长是光在某一传递介质中的基本属性之一。同一个频率的光线，通过不同介质时，其折射率不同，光速也会不同，波长则随之发生变化。所以在物理光学中，人们更习惯用光的频率表征光的基本属性，特别是在光与色的关系中，可以说频率是表征光的基本特征的本征因子。
二十世纪七十年代CIE提出的1976CIE-Luv及1976CIE-Lab两个均匀颜色空间，色调变化的均匀性有了明显改进。但是它们是在原来的CIE-XYZ色度系统波长域的基础上，通过一系列非线性坐标变换推导出来的。以CIE-Lab均匀颜色空间为例，在原来的CIE-XYZ色度系统中，色调与主频率尚存在着一定的对应关系，但在CIE-Lab色度空间里，这种对应关系不存在了。从它的色度坐标+a、-a、+b和-b来看，与十九世纪德国生物学家埃瓦尔德·赫林（Ewald Hering）提出的对立颜色学说所建立的红、绿、黄、蓝四色坐标比较接近。但是进一步分析，它的色相均匀性不及复频谱色度坐标上频率与相位一一对应的均匀性好。原因在于以下几个方面。
1.基于CIE-Lab色空间建立的a-b坐标，其色相夹角与光色矢量合成后定义出的方向无物理关联，并不具有相位的矢量特性；
2.CIE-Lab颜色空间是从CIE-XYZ非均匀颜色空间，基于人眼睛的视觉变化修正而来的，其色相分布本身就具有非均匀性；
3.在复频谱色度系统上光的频率在相位上均匀分布，而波长与频率成反比关系，因此在波长域上就不会均匀分布。
现以常用的十种油墨颜色（即复频谱色相值）在波长域和频率域分布情况加以说明。十种油墨计算出的复频谱色相值、对应的主波长和主频率统计列表如表4-3所示。
表4-3 十种油墨色相对应的波长和频率统计表
(www.chuimin.cn)
续表
上述十种油墨颜色的相位在频率域上的分布如图4-6所示，在波长域上的分布如图4-7所示。
图4-6 色相在频率域上的分布
图4-7 色相在波长域上的分布
图4-6和图4-7清楚地表明了频率与波长的变化对相位角度的影响是不同的，反映在色相的均匀性上也是不同的。图4-6是等量的频率变化，对应的是等量的色相变化。而在图4-7上，例如，从650nm到750nm，波长域差为100nm，对应的色相差是57.7，而从400nm到500nm，波长域差还是100nm，对应的色相差却增到140.5，几乎是前者的两倍半。由此可见，色相在波长域分布是不均匀的，在波长较长的红色区域，色相变化较慢，颜色变化的宽容量较大，而在波长较短的蓝色区域，色相变化较快，颜色变化的宽容量较小。
如果说把色矢量作为颜色混合变化可计算的一个本征因子，那么复频谱均匀色相环则为色矢量计算提供了一个既方便又可操作的平台。
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