光矢量变换色矢量复频谱色度理论解析-同色异谱

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：同色异谱这一命题表明色与谱二者之间确实存在着微妙的关系。“同色”指两个物体的颜色完全相同；“异谱”则是两个相同颜色的辐亮度光谱结构却不同。但是电视上的绿色是由荧光屏上红、绿、蓝三基色加和产生的，这里三基色的光谱结构与树叶中叶绿素分子的光谱结构肯定不同，也就是说这二者是同色却是异谱。人们只需做到是同色，不必刻意追求同谱。解释同色异谱的奥秘就在于复频谱里的色矢量。

光谱与颜色就像“形”与“影”一样，形影不离。同色异谱这一命题表明色与谱二者之间确实存在着微妙的关系。“同色”指两个物体的颜色完全相同；“异谱”则是两个相同颜色的辐亮度光谱结构却不同。大自然树木叶子的绿色是树叶分子结构里叶绿素反射光谱显示的颜色。当摄像机把它拍成片显示在电视机荧光屏上时，如果颜色一点不失真，看上去与自然界树叶的颜色完全一样，这就是同色。但是电视上的绿色是由荧光屏上红、绿、蓝三基色加和产生的，这里三基色的光谱结构与树叶中叶绿素分子的光谱结构肯定不同，也就是说这二者是同色却是异谱。同样，一朵鲜红的牡丹花，把它拍照复制成印刷品，也完全可以做到同色。但是印刷品上的红色是由三基色油墨中品红墨与黄墨叠印后产生的，由这两种油墨叠印后的光谱结构与牡丹花红色素的光谱结构也肯定不同，虽然是同色，却是异谱。类似这样的例子还可以举出很多。总之，同色异谱现象在彩色印刷复制技术中，是一个十分普遍的现象。

有意思的是，人的视觉能敏锐地分辨颜色的异同，却不能分辨光谱的异同。为什么？这就需要进一步分析色与谱二者的关系。也正是因为如此，才使得颜色科学工作者对“谱”与“色”进行深入研究。

人们在社会生产、生活实践中，凡是与颜色有关，例如彩色电视、彩色照片、印染花色、彩色印刷、油漆、涂料等，往往要求复现某个确定的颜色。人们只需做到是同色，不必刻意追求同谱。道理在于人的视觉只认识由光谱整合的结果，不能分辨光谱本身的频谱结构。要说明这个问题，有必要拿人的听觉功能与视觉功能作对比。

声波是机械波，人的听觉能对声波进行分析处理；光是电磁波，人的视觉能对电磁波进行处理。据史料记载，早在十九世纪中期三原色假说奠基人之一赫姆霍茨，以生物物理、生理的方法对人的听觉与视觉进行过深入研究。人的听觉能分辨的声波频率一般在20Hz到20000Hz。频率超过20000Hz是超声频，低于20Hz是超低频。在人耳可接收的音频范围内，500Hz到2000Hz称中音，低于500Hz称低音，高于2000Hz称高音。声波的频率有高、中、低之分，人们称为音调。声波振幅强，表明机械振动的能量大，听到的声音也大；声波振幅弱，听到的声音就弱，声音的强弱称音量。音乐之所以悦耳，是因为其频率有一定规律，特别是有丰富的谐频，这叫音色。男人、女人、老人、儿童由于年龄、性别及生理上的区别，所以他（她）们发出的声音具有不同的音频特点。听者在音调、音量、音色方面即能把它分辨出来。可以肯定的是，一个确定的声音必然有一个确定的声谱；反之，一个确定的声谱也必然对应一个确定的声音。可见在听觉方面人们并不在意同声异谱问题。

人的视觉能接收电磁波的频率范围是384MMHz到768MMHz，仅仅在一个很窄的倍频区段。电磁波是矢量波。光线进入眼睛，不同频率的振幅在同一时刻定格在复频谱不同相位上，原来的相矢量变成色矢量。作为神经信号的矢量特点，必然要自发地进行整合平衡，这一点与听觉神经处理信号的方式是相反的。人感知的是全频域色矢量平衡整合的结果，看见了颜色的亮度、色相与饱和度，视觉不会感知光的频率的分布。

从以上分析可以看出，人的听觉功能与视觉功能确实存在着巨大的差别。听觉是“分频”，视觉是“积频”。这种功能上的差别是人类在亿万年进化过程中为了生存，在变异与遗传过程中不断选择逐渐形成的结果。在功能上看似相反，在结果上却又惊人相似。听觉能鉴别音量、音调与音色；视觉能鉴别亮度、色相与饱和度。音量大小与亮度高低都与波动的能量相关，而音调高低与色相高低都与主频率高低相关，音色的丰度与颜色饱和度都与成分相关。处理方法虽然不同，结果却有异曲同工之妙。真是敬佩我们人类的祖先不愧为灵长类高等智能动物之首。

解释同色异谱的奥秘就在于复频谱里的色矢量。我们把可见光从384MMHz到768MMHz分为四个色区，在每个色区分别取40～50个色矢量样值，将四个色区的色矢量分别投影到复频谱X、Y坐标轴上，一一加和再取平均值，最后产生出X+、X-、Y+、Y-四个分色矢量。在某一个频率上色矢量数值的变化大小并不重要，重要的是在每一个坐标轴上所有色矢量加和的结果。如果在某个频率上的色矢量的值变小了，而在相邻另外一个频率上色矢量值变大了，只要在这个坐标轴上所有色矢量加和总值不变，对最终的结果就不会产生影响。一个具体的颜色其特征数值如色相、亮度与饱和度是由全频域所有色矢量加和的最终结果决定的。人的视觉感知的是视神经系统对色矢量信号处理的结果。人的视觉既不会感知某一个频率处的色矢量信号，也不会感知这个信号处理的过程。由此可以说，两个颜色它们复频谱结构虽然不同，只要它们全频域色矢量整合的结果X+、X-、Y+、Y-四个分色矢量相同，它们的颜色特征数值色相、亮度、饱和度也必然相同，它们就是同色异谱。理论上同一个颜色可以有无限多个异谱，可见同色异谱现象是普遍存在的。(www.chuimin.cn)

人们在生产、生活及社会实践中，有时需要复现某一特定的颜色，可是由于原材料、生产工艺、环境条件等的变化或限制，完全做到复现色与目标色“同色”是很困难的，只能要求接近。这就提出一个评价同色异谱颜色宽容量的问题，即复现色与目标色存在多大的色差是可以接受的，人们如何来判断这个色差。在CIE1976 Luv与1976 Lab两个均匀色度系统里都有色差ΔEuV及ΔEab的评价方法。复频谱色度系统本身就是均匀色度系统，就可以直接应用它的颜色特征数值色相H、亮度L及饱和度S，这三个具体数值给出色差ΔE。考虑到人的视觉对上述三种特性感受的敏感程度的不同，因而对总色差的影响力也是不同，故设定不同的系数。若两个颜色做同色异谱比较，其色差为：

式中　a—色相宽容量权重系数；

　　　b—亮度宽容量权重系数；

　　　c—饱和度宽容量权重系数；

至于色差宽容量设多大为宜，a、b、c三个权重系数如何设定，这有待于通过大量实践的检验才可以确定。

光矢量变换色矢量复频谱色度理论解析-同色异谱

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