Minecraft 像素画色彩使用指南/基础知识

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## **色彩是什么？**

　　**颜色**或者说**色彩**，本质上是可见光照射在视网膜上后，由视锥细胞产生的一种视觉感受。可见光的能量用波长（或者频率）衡量。由同种波长的可见光组成的光束称为**单色光**，而由多于一种波长的可见光组成的光束称为**复色光**。

　　单色光与颜色是一一对应的。可见光的波长范围为380至750纳米：波长越短则越偏蓝紫色；波长越长则越偏黄红色。单色光的波长与颜色的对应关系大致如下表所示（自然，显示器发出的光一般不是单色光。之后会解释用显示器颜色表示单色光颜色的合理性。）：

* **红** 630 ~ 750 nm
* **橙** 590 ~ 630 nm
* **黄** 560 ~ 590 nm
* **绿** 500 ~ 560 nm
* **青** 480 ~ 500 nm
* **蓝** 440 ~ 480 nm
* **紫** 380 ~ 440 nm

**例1.1**　试说明太阳光是复色光。
**A:** 恒星发出的电磁辐射可以看作黑体辐射，而黑体辐射谱是连续的。这意味着太阳光中必定包含多种波长的可见光。

**例1.2**　钠灯发出的光在可见光波段是单色的还是复色的？
**A:** 是复色的。因为钠在可见光波段有两条发射谱线，波长分别为589.0及589.6纳米。虽然此二谱线非常接近、因而钠光灯常作为单色光源使用，但严格来说发出的仍是复色光。

　　日常生活中，复色光远比单色光常见。有时候，复色光可以模拟单色光的颜色（如红光和绿光混合，产生的复色光颜色可以和橙色或黄色单色光颜色相同），这是人的视觉所决定的。

　　人通过视网膜上的视锥细胞感受颜色。光照射在视锥细胞上时，不同波长的光会给予不同强度的刺激，从而使视锥细胞发出不同强度的神经信号。正常人拥有三种视锥细胞，对不同波长的光的响应如下图所示：

　　可以看到，三种视锥细胞对于不同波长的光响应是不同的：三种视锥细胞对波长的响应峰值分别出现在 570 nm（处于黄色，这种视锥细胞称为L视锥细胞）、540 nm（处于绿色，M视锥细胞）、420 nm（处于紫色，S视锥细胞）。因此，我们所感知的颜色，本质上是**三种视锥细胞对光线产生的响应信号的比例**。

**例1.3**　600 nm 的单色光呈现出橙色。
**A:** 从图中可以读出，600 nm 的单色光对L视锥细胞有较强的刺激；对M视锥细胞有较弱刺激；对S视锥细胞几乎没有刺激。这种视锥细胞发出的信号模式（L强、M较弱、S无）被我们的大脑处理为橙色。

**例1.4**　人类的视觉对于黄色和绿色较为敏感。
**A:** 从图中可以读出，L视锥细胞和M视锥细胞响应较强的波段有很大的重合区域，这一重合区域在黄色和绿色附近。这意味着，黄色和绿色的单色光能够同时给予L视锥细胞及M视锥细胞以强刺激，因而人类的视觉对于这两类颜色敏感。

**例1.5**　红绿色弱患者也有三种视锥细胞，但相比色觉正常者区别在于L视锥细胞和M视锥细胞对波长的响应峰值比正常人更加接近、响应曲线的重合度更大。试说明这一情况对色觉的影响。
**A:** 对于红绿色弱患者，L和M两种视锥细胞响应曲线的重合度非常大，因而在S视锥细胞接受的刺激不强（即单色光波长在红色和绿色之间）时，L视锥细胞和M视锥细胞发出的信号强度比值没有明显变化。既然大脑是根据信号强度的比例感知颜色，这就导致红色和绿色之间的颜色对于红绿色弱患者来说也没有非常明显的变化。

　　混色光之所以能够模拟单色光的颜色，原理非常单纯。由于三种视锥细胞发出的信号决定了大脑感知的颜色，故只要能够给予三种视锥细胞以相同的刺激，就可以制造同样的颜色。我们将以一个简单的模型作为例子进行探讨。

**例1.6**　假设 650 nm 的红光只刺激L视锥细胞；540 nm 的绿光对L和M视锥细胞的刺激为1:0.5；570 nm 的黄光对于L和M视锥细胞的刺激为1:0.75。试说明我们可以通过将 540 nm 绿光和 650 nm 红光混合，得到 570 nm 黄光的颜色。
**A:** 很显然，如果这三种波长的可见光对视锥细胞造成的总的刺激都相同，则将上述绿光和红光进行1:1混合即可得到上述黄光的颜色。因为有：

1
2

(
1
,
0
)

1
2

(
1
,
0.5
# )
(
1
,
0.75
)

{\displaystyle \frac12(1,0)+\frac12(1,0.5)=(1,0.75)}

　　我们会发现，混色光可以制造出单色光不可能产生的颜色。下面举一些例子。

**例1.7**　试说明品红色（）只可能是混色光的颜色，而不能是单色光的颜色。
**A:** 品红色是红色和蓝色光混合产生的颜色。如果单色光需要表现为品红色，则需同时给予L和S视锥细胞强刺激，且不对M视锥细胞给予刺激。但从上方的图中可以看出，L和S视锥细胞的响应曲线绝少重合，不可能有单独的波长能满足这一条件。因此，品红色不可能是单色光的颜色。

**例1.8**　试说明白色（）只可能是混色光的颜色，而不能是单色光的颜色。
**A:** 白色可以由红、绿、蓝三种颜色的光混合得到。如果单色光需要表现为白色，要求同时给予三种视锥细胞以强刺激。没有单独的波长能够做到这一点。

## **色环和色彩空间**

　　颜色的种类无穷无尽，但我们手头的资源是有限的。例如，要让LED显示屏显示出上万种颜色，首选的解决方法自然不是给每个波长的光都开发一种LED；画家也并不需要几万种颜色的颜料来表现作品中五彩斑斓的事物，他们可以通过将颜色比较纯正的颜料混合产生新颜色的颜料。既然混色光能够表现出单色光的颜色（以及单色光无法表现的颜色），自然应该考虑用尽可能少的单色光混合产生尽可能多的颜色。这些用于混合的“基本颜色”称为**原色**。在传统的艺术上，常选择红、黄、蓝（RYB）作为原色；在印刷上，常选择青、品红、黄（CMY）作为原色；在电子显示器件上，常选择红、绿、蓝（RGB）作为原色。※2.1**由于像素化的创作在电脑上进行，接下来的讨论默认基于RGB模型。**

　　将R和G按不同比例混合，就可以得到红色、橙色、黄色、绿色等一系列基于红和绿之间的颜色；同理将G和B、B和R混合，最终能够得到的所有由两种原色混合产生的颜色组成了一个首尾相接的环，称为**色环**。RGB模型的色环如下所示：

　　正如上一节所讨论的，紫色※2.2和红色之间的颜色（即我们称为“紫红色”“玫瑰色”“品红色”等名字的颜色）并不存在于光谱上，这些颜色是仅属于混色光的。不过，正是这些颜色使得可见光色轴能够首尾相接。

**注释**

※2.1　不过这三个系统的“混合”方式不太一样：RGB为加色混合；CMY与RYB为减色混合。颜色经加色混合会变得更明亮，而经减色混合会变得更昏暗。光的混合遵循加色混合，颜料的混合遵循减色混合——因为颜料自身不发光，只反射其所不吸收的光。

※2.2　如果您还读英文资料的话，可能需要注意一下一些汉语中不太作区分的、词义上的微妙区别：英文中 *purple* 和 *violet* 二词在所指代的颜色上有别。*Violet* 能够在光谱上找见，即上一节所述的波长在 380 ~ 440 nm 的单色光的颜色；*purple* 则不能在光谱上找到，一定是一种混色光的颜色。视觉上，*violet* 指的是这种颜色：，而 *purple* 指的是这种颜色：，即 *purple* 相比 *violet* 更偏红。注释的这个地方指的是 *violet*。

　　至此，我们讨论的都是某两种原色混合产生的颜色，这类颜色称为纯彩色。纯彩色形成了一个环，如果我们再加入第三种原色，就可以制造出一系列新的颜色。这些颜色将填满环内的空间：

　　圆盘的中心位置是白色，是RGB三种原色最大限度地混合※2.3产生的。

**注释**

※2.3　“最大限度地混合”大概不是个好说法。在真正认识RGB色彩空间之前，您可以认为屏幕上的一个像素点中的R、G、B色点都达到最亮时，显示出的颜色是白色。