色彩的物理学原理与视觉原理

色彩原理与应用一、光的颜色特性：1、颜色国家标准定义：色是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性2、光是一种能在人眼的视觉系统中引起明亮感觉的电磁辐射（大致10-14----数千千米）3、可见光（可见光谱）：波长在380----780nm波长范围的那部分电磁辐射注：单位：nm（纳米），1nm=10-9m4、色散：白光被分解成各种色光的现象（紫色光折射系数最大，偏离最大；红色光折射系数最小，偏离最小）5、单色光（光谱色）：只含有一种波长而不能再分解的光光色波长λ（nm）主波长（nm）红（red）630----780 700橙（orange）600----630 620黄（yellow）570----600 580绿（green）500----570 550青（cyan）470----500 500蓝（blue）420----470 470紫（purple）380----420 420注：光谱不受光强度变化的影响的要素：红（478nm）、绿（503nm）、572（nm）6、复色光：单色光混合而成的光注：人们大多见的都是复色光7、光源的光谱功率分布：光源中各个波长色光的辐射功率按波长的分布，即功率是波长的函数（1）类型：①线状光谱，如：宝石激光②带状光谱，如：紫外线③连续光谱，如：阳光、白炽灯④混合光谱：如：荧光灯（2）光谱功率分布的特性主要影响颜色8、光源的光谱功率分布曲线：功率的函数的曲线注：不同光源具有不同的光谱功率分布曲线9、光源的颜色：取决于光谱分布中各单色光的相对比例，而不是它们的能量绝对值10、相对光谱功率分布：令光谱功率分布函数的最大值为1或100，将函数的其他值进行归一化，经过归化后的反光谱功率分布，记作：S（λ）11、光源的颜色特性：取决于不同波长单色光的能量比例，与光谱辐射能量的绝对值无关，绝对值的大小只反映光源发光强度的大小，只决定光源的亮、暗感觉，不会引起光源颜色感觉的变化注：可见光是一种能在人眼的视觉系统上引起明亮感觉的电辐射，也是人们感觉所有物体形态和颜色的唯一物质12、色觉三要素：（1）光线的照射（2）呈现颜色的物体（物体的透射）（3）功能正常的视觉器官及大脑二、物体的颜色特性：1、类型：（1）发光体（光源）：能自行向外界辐射光能（2）非发光体：本身不辐射光能的物体2、发光体的颜色形成：由光源中不同的光谱成分共同决定的注：哪种光谱成分的比例大，则发光体的颜色就偏向于哪种光源3、非发光体的颜色形成：（1）光谱特性：物体的这种特性（2）类型：①消色物体：随着吸收比例的不同，物体在日光下将呈现从白色、各种灰色到黑色的一系列中性颜色物体②彩色物体：选择性吸收特性的物体4、非选择吸收（等比吸收）：当白光照射到物体上时，该物体表面对白光中光谱各段的辐射能做等量吸收，而反射或透射光谱组成比例不会改变5、选择性吸收：当白光照射在物体上，物体对不同波长的光具有不同的吸收率，对某些波长的光吸收多些，对另一些吸收少些注：经过选择性吸收以后，其反射或透射的光与入射光比较，不仅能量（光强）上有所减弱，光谱成分也发生了改变6、要点：（1）物体的光谱反射率是由物体的自身材料所决定的，不会随照明光源和观察条件而改变（2）具有相同光谱反射率的物体用不同的光源照明，因为不同光源所发光的光谱成分不同，就会产生不同的颜色刺激三、视觉的生理基础：1、眼球的构造：（1）屈光系统：①作用：将不同远近的物体清晰地成像在视网膜上②器官（如左图）（2）感光系统：①过程：当眼睛注视外界物体时，由物体发出的光线通过角膜、房水、晶状体及玻璃体折射，聚焦成像于人眼感光记录系统——视网膜上②视网膜的构成：（三层）a.最外层是锥体细胞（明视觉器官）和杆体细胞（暗视觉器官）b.中层为双极细胞，起桥梁作用c.最内层主要含有神经节细胞注：人眼是靠锥体细胞视觉和杆体细胞视觉转换来适应照度的变化2、暗视觉：杆体细胞的作用注：⑴暗视觉只能分辨出物体的形状和明暗⑵在这种条件下，对色光最敏感的波长为510nm⑶杆体细胞适合于10-2尼特以下条件工作3、明视觉：锥体细胞的作用（红光只对其起作用）注：明视觉能分辨出物体的细节与颜色4、视觉器官的两重功能：暗视觉和明视觉5、光谱光视效率：眼睛的灵敏度与波长的依赖关系四、颜色视觉理论：1、三色学说：（扬 赫姆霍尔兹提出）（1）内容：人的视神经只有感红、感绿、感蓝三种基本视神经，感受的峰值为680nm、540nm、430nm。

⾊彩构成知识⾊彩构成知识⾊彩构成知识⼀、⾊彩与视觉的原理1.光与⾊光⾊并存，有光才有⾊。

⾊彩感觉离不开光。

（1）光与可见光谱。

光在物理学上是⼀种电磁波。

从0.39微⽶到0.77微⽶波长之间的电磁波，才能引起⼈们的⾊彩视觉感觉受。

此范围称为可见光谱。

波长⼤于0.77微⽶称红外线，波长⼩于0.39称紫外线。

（2）光的传播。

光是以波动的形式进⾏直线传播的，具有波长和振幅两个因素。

不同的波长长短产⽣⾊相差别。

不同的振幅强弱⼤⼩产⽣同⼀⾊相的明暗差别。

光在传播时有直射、反射、透射、漫射、折射等多种形式。

光直射时直接传⼊⼈眼，视觉感受到的是光源⾊。

当光源照射物体时，光从物体表⾯反射出来，⼈眼感受到的是物体表⾯⾊彩。

当光照射时，如遇玻璃之类的透明物体，⼈眼看到是透过物体的穿透⾊。

光在传播过程中，受到物体的⼲涉时，则产⽣漫射，对物体的表⾯⾊有⼀定影响。

如通过不同物体时产⽣⽅向变化，称为折射，反映⾄⼈眼的⾊光与物体⾊相同。

2.物体⾊⾃然界的物体五花⼋门、变化万千，它们本⾝虽然⼤都不会发光，但都具有选择性地吸收、反射、透射⾊光的特性。

当然，任何物体对⾊光不可能全部吸收或反射，因此，实际上不存在绝对的⿊⾊或⽩⾊。

常见的⿊、⽩、灰物体⾊中，⽩⾊的反射率是64％-92.3％；灰⾊的反射率是10％-64％；⿊⾊的吸收率是90％以上。

物体对⾊光的吸收、反射或透射能⼒，很受物体表⾯肌理状态的影响，表⾯光滑、平整、细腻的物体，对⾊光的反射较强，如镜⼦、磨光⽯⾯、丝绸织物等。

表⾯粗糙、凹凸、疏松的物体，易使光线产⽣漫射现象，故对⾊光的反射较弱，如⽑玻璃、呢绒、海绵等。

但是，物体对⾊光的吸收与反射能⼒虽是固定不变的，⽽物体的表⾯⾊却会随着光源⾊的不同⽽改变，有时甚⾄失去其原有的⾊相感觉。

所谓的物体“固有⾊”，实际上不过是常光下⼈们对此的习惯⽽已。

如在闪烁、强烈的各⾊霓虹灯光下，所有建筑及⼈物的服⾊⼏乎都失去了原有本⾊⽽显得奇异莫测。

第一章色彩产生的原理学习目标：通过了解色彩产生的原理，对色彩有科学的认识。

掌握色彩的基本属性和特征、色彩在设计中的应用。

通过色彩规律的认识，培养学生对色彩的感知、理解和运用能力。

重点难点：重点：理解色彩的物理性质，掌握色彩的基本特征。

难点：色立体以及色彩体系的应用。

1 1.1 色彩的物理理论 1.1.1 光与色光是色彩的重要来源，没有光就没有色彩。

在原始社会时期，由于知识的局限，人们误以为世界是五彩缤纷的，与光没什么关系。

然而，当黑夜降临的时候，人们发现五彩缤纷的世界在我们的视线中消失了。

随着时代的发展，人们的认识能力进步了，后来发现世界本是无色的，由于有了光的照射才能显现出五彩缤纷的世界。

因此，我们要从科学的角度来认识色彩，世界万物的色彩是由光的刺激所引起的，是从光→物体→眼睛→大脑的整体过程。

色彩是光刺激眼睛再传入到大脑的视觉中枢产生的感觉。

明确地讲，是人的眼睛起了重要作用并赋予了色彩最终的效果。

色彩是人的一种感觉，是人的大脑和思想赋予了它最终的意义，没有光、物体、眼睛、大脑，就没有色彩，没有五彩缤纷的世界。

所以，光，物体，正常的视觉是产生色彩的必要条件。

1.1.2 光谱1666年，英国物理学家牛顿利用三棱镜科学地证明了自然光包涵了所有的光谱色，而物体色是对太阳光的反射形成的。

这一发现也使色彩研究走上了科学的轨道（如图1-1所示）。

三棱镜实验证明白色的太阳光被分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

其中宽窄不一的颜色以固定顺序构成一条美丽的色带，这图1-1 就是光谱（如图1-2和图1-3所示）。

图1-2 图1-3 1.1.3 色彩的可知性我们感受到的白色光实际上是由七种色光混合而成的，当白光通过三棱镜时，各种色光由于波长不同，有着不同的折射率。

其中，红色波长最长，折射率最小；而紫色波长最短，折射率最大。

不同的色相表明了不同的电磁辐射工作范围，不同的电磁2 辐射的范围有不同的宽窄。

在电磁辐射中只有波长为380nm～780nm之间的电磁辐射能被我们视觉感受到，这就是可见光的范围，只占光谱中的很小一部分。

色彩的物理特性人类的视觉系统是凭借光感觉到世界的五光十色的。

那么光是什么呢?我们知道光是一种物质，具有一定的能量，光是以电磁波形式传播的。

光与我们所熟知的另一种电磁波——无线电波并无本质区别，但为什么人眼能看见光，而不能看见无线电波呢?这主要是两者的波长(或频率)范围不同。

科学研究发现，电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、紫外线、X射线、Y射线。

但仅在80nm一780nm这段很小的波长范围内的电磁波能给人的视觉系统产生色彩感觉，因此称之为可见光。

在可见光波中包含380nm一780nm(或)的各种不同波长(或频率)成分，称为波谱(或频谱)。

不同波长的光，将对人的视觉系统产生不同的色彩感觉，如波长为700nm的光，给人红色的感觉，波长为400nm的光，给人紫色的感觉等。

只包含单一波长成分的光称为单色光，包含两种或以上波长成分的光称为复合光。

复合光给人的视觉系统的刺激呈现为混合色，如等量的红光和蓝光，给人紫色的感觉。

尽管人的视觉系统的感觉一样，但这种复合光紫色与单色光紫色的物理本质是不同的。

太阳光辐射出来的是包含各种单色成分的光谱带，因而它是一种复合光，它给人以白光的综合感觉，这一现象已经由人们熟悉的棱镜分色实验所证实。

从该实验可知，波长在640nm一780nm范围的可见光为红色，波长在600nm～640nm范围的可见光为橙色，波长在550nm一600nm范围的可见光为黄色，波长在480nm～550nm范围的可见光为绿色，波长在450nm～480nm范围的可见光为蓝色，波长在380nm～450nm范围的可见光为紫色。

色彩是一个物理心理概念现实世界五彩缤纷：蓝天白云、红男绿女、灯红酒绿、姹紫嫣红……但你可知道，世界全因你而绚丽多彩!色彩固然是现实事物本身的属性，但色彩更是你主观感觉的属性，色彩是一种主、客观综合属性。

色彩是一个心理物理学概念。

光照射在物体上，人眼接受了照明光谱中被物体反射的那一部分光的能量，而产生色彩感觉，这一感知过程包括了光照、物体反射和人眼的机能等三个因素。

一、色彩的物理效应色彩对人引起的视觉效果还反应在物理性质方面，如冷暖、远近、轻重、大小等，这不但是由于物体本身对光的吸收和反射不同的结果，而且还存在着物体间的相互作用的关系所形成的错觉。

1、 温度感在色彩学中，把不同色相的色彩分为热色、冷色和温色，从红紫、红、橙、黄到黄绿色称为热色，以橙色最热。

从青紫、青至青绿色称冷色，以青色为最冷。

紫色是红与青色混合而成，绿色是黄与青混合而成，因此是温色。

这和人类长期的感觉经验是一致的，如红色、黄色，让人似看到太阳、火、炼钢炉等，感觉热；而青色、绿色，让人似看到江河湖海、绿色的森林，感觉凉爽。

但是色彩的冷暖既有绝对性，也有相对性，愈靠近橙色，色感愈热，愈靠近青色，色感愈冷。

如红比红橙较冷，红比紫较热，但不能说红是冷色。

此外，还有被色的影响，如小块白色与大面积红色对比下，白色明显地带绿色，即红色的补色的影响加到白色中。

2、 距离感色彩可以使人感觉进退、凹凸、远近的不同，一般暖色系和明度高的色彩具有前进、凸出、接近的效果，而冷色系和明度较低的色彩则具有后退、凹进、远离的效果。

室内设计中常利用色彩的这些特点去改变空间的大小和高低。

3、 重量感色彩的重量感主要取决于明度和纯度，明度和纯度高的显得轻，如桃红、浅黄色。

在室内设计的构图中常以此达到平衡和稳定的需要，以及表现性格的需要如轻飘、庄重等。

4、 尺度感色彩对物体大小的作用，包括色相和明度两个因素。

暖色和明度高的色彩具有扩散作用，因此物体显得大，而冷色和暗色则具有内聚作用，因此物体显得小。

不同的明度和冷暖有时也通过对比作用显示出来，室内不同家具、物体的大小和整个室内空间的色彩处理有密切的关系，可以利用色彩来改变物体的尺度、体积和空间感，使室内各部分之间关系更为协调。

二、色彩对人的生理和心理反应生理心理学表明感受器官能把物理刺激能量，如压力、光、声和化学物质，转化为神经冲动，神经冲动传到到脑而产生感觉和知觉，而人的心理过程，如对先前经验的记忆、思想、情绪和注意集中等，都是脑较高级部位以一定方式所具有的机能，它们表现了神经冲动的实际活动。

色彩的基础原理之一一、光的本质从远古到17世纪以前，人类对色彩的认识还停留在感性认识上。

真正对色彩进行科学的分析，是由英国科学家牛顿于1667年通过三棱镜分解出来开始的，称为可见光谱色，投在垂直的白色立面上呈现一种连续的色带，相互渐次变化，分为红（red）、橙（orange）、黄（yellow）、绿（green）、青(blue-green)、蓝(blue)、紫(purple)七色。

光学上把这种使白光分解的现象称为“光的色散”。

光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射，太阳辐射通过大气层吸收照射到地球表面。

而人的视觉对从380~780nm（纳米或者毫微米）这一极小范围内的电磁辐射最为敏感，这叫可见光谱。

二、色光混合的规律蓝、绿、红三原色光的等量混合是色光混合的最基本的规律，当三原色光等量混合的时候，形成白色光。

红光与绿光等量混合的时候，形成黄色光；红光与蓝光等量混合的时候，形成品色光（也叫洋红）；绿光与蓝光等量混合时，形成青色光。

若两种色光等量混合时形成白光，这两种色光之间的关系为互补色光。

因为白光是通过这两种色光互相补充形成的，即补成了白光，所以称为互补关系。

色彩的基础原理之二第一节色彩的属性一、色彩的三要素：色相、明度和纯度，是色彩的三要素。

几乎每出现一块色彩，都伴随着三要素的不同显现，三者均具有不可或缺的价值。

1、色相色相指色彩的相貌和主要倾向，也指特定波长的色光显现出的色彩感觉。

一个画面，主要的色彩倾向往往是色相起作用。

2、明度明度是指色彩明暗的程度。

色彩明度可以从两个方面进行分析，一种是各种色相之间的明度差别，另外一种情况是同一色相的明度，因为光量的强弱而产生不同的明度变化。

无彩色系有黑白灰三色，最高和最低明度色为白色和黑色，灰色居中。

人眼最大明度辨别力为近200个等级层次。

孟塞尔把明度定为（包括理论的）黑白11级，可视的黑白上下之间为9级不同的梯度。

3、纯度纯度是指色彩的鲜艳度或纯净饱和的程度，也称彩度。