颜色测量的历史

如果您所在的领域要求颜色必须准确,那您肯定懂得颜色测量设备的重要性。
许多行业都使用分光光度仪来识别、配制、测量和沟通颜色。通过比较样品和标准,它们可以辨别出最小的色差。无论是概念设计、颜色配制还是生产,分光光度仪在所有颜色管理工作流程中都发挥着无可估量的作用。

爱色丽Ci7800台式积分球式分光光度仪

然而您是否思考过,这些设备是如何研发出来的?
今天,我们就将回到过去,了解众多从事颜色测量设备相关研究和实验的科学巨匠。

艾萨克牛顿使用棱镜将白光折射成可见光谱的颜色


艾萨克·牛顿:光的多种颜色

尽管人类已经模糊地认识到光至少是形成色彩的部分原因,但最终是艾萨克·牛顿(1642-1727)使用玻璃棱镜证明了一束白光可以被分成可见光谱。他在实验中通过折射和弯曲光线,将其分成单色光,为我们提供了一种描述我们可见颜色范围的有意义的方式,即ROY G. BIV - 红色,橙色,黄色,绿色,蓝色,靛蓝和紫色。
基于这种认知,牛顿开发了Newton Color Circle(牛顿色环),开始对互补色和加色混合进行有趣的研究。


托马斯·杨:人眼混合感知色彩

在19世纪早期,托马斯·杨发表了他的观点,即人眼包含三种不同类型的颜色感受器,分别用于混合红色、绿色和蓝色,从而创造出我们可以看到的各种颜色。
他是对的。


詹姆斯·克拉克·麦克斯韦电磁能

19世纪60年代,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦通过证明红色、绿色和蓝色的组合可用于创造几乎任何其他所需的颜色,将托马斯·杨的思想进一步发扬光大。
虽然意识到无法使用三种基色组合形成整个色调范围,但他很快就发现通过一些减法,就可以实现整个色域。今天,这种现象被称为人类三色刺激反应。

虽然麦克斯韦并不是第一个提出光线“波动”论的人,但是他证明了光是电磁能量的一种形式,且波长范围在380 nm(紫色)到750 nm(红色)之间。如今我们可以在该范围内用特定数字指定可见光谱的点,比牛顿的Roy G. Biv更精确!
那些波长小于380 nm和大于750 nm的光呢?麦克斯韦理论认为它们同样存在,但是我们的眼睛看不到它们。今天我们知道波长大于750 nm的是红外线,小于380 nm的是紫外线。
麦克斯韦还认识到,颜色的色调和饱和度(也被称为彩度)与亮度无关,提前窥见了CIE色度图中发展的内容。


Guild & Wright:色彩空间

在20世纪20年代晚期,W. David Wright和John Guild继续进行实验,以评估看到可见光谱中任意一种颜色需要多少红色、绿色或蓝色光能。他们的研究显示,可见光谱中颜色的波长与人眼可以感知的颜色之间存在联系。


该图显示了匹配可见光谱中任意颜色所需的红色、绿色或蓝色光能

国际照明委员会(CIE)将Guild和Wright的研究发布为1931 RGB色彩空间,进而形成了CIE 1931 XYZ色彩空间。虽然这些数学方程式帮助我们量化了人类对色彩的视觉反应,并且是颜色测量设备的基础,但是科学家们很快就认识到这个由如此多绿色组成的二维模型并不完美。

与CIE 1931色彩空间大致同时发布的CIE色度图是一种二维尝试,用于以图形比例记录颜色


戴维·麦克亚当:容差

对于20世纪40年代为柯达工作的戴维·麦克亚当来说,色彩是一个非常有趣的课题。他想知道在观察者注意到差异之前,他能在多大程度上改变柯达黄色的颜色。

在主(目标)样本中,他改变了色调、彩度(或饱和度)和亮度,直到观察者注意到差异。然后他将结果绘制在CIE色度图上。通过在各种各样的颜色上重复这个实验,他成功创造出第一个容差图。


每个颜色目标周围的这些可感知性限制显示了在人眼注意到之前允许的差异量

在每种情况下,匹配点的分布都会形成三维椭圆或椭圆体。有趣的是,椭圆体的大小有所不同,并且取决于颜色在色彩空间中的位置。麦克亚当发现彩度图是不均匀的,并且为了将其用作色差工具,必须为每种颜色指定不同的公差值。结果还证明,我们的眼睛不会均匀地衡量色调、亮度和彩度,人眼对色调偏移的敏感度大约是彩度或亮度变化的两倍。


理查德·亨特:L*a*b*

基于麦克亚当的研究,理查德·亨特在20世纪40年代创造了一种新的三刺激色彩模型。这个色彩空间(被他称为L * a * b *)使用三个轴来表示感知色差的近似均匀间隔。垂直轴L表示亮度/暗度,白色为100,黑色为0,用于表示深色和浅色调之间的差异。水平轴a和垂直轴b代表主色轴,正a为红色,负a为绿色;正b为黄色,负b为蓝色。
通过这一颜色模型,亨特开发了一种在色彩空间中绘制精确颜色的方法,并使用Delta E表征总色差。
31年后,CIE发布了一个更新的模型 -  CIE L * a * b *  - 只对亨特的原始数学方法做了一些小改动。如今,它是报告色度值的推荐方法,也是我们许多颜色测量仪器使用的数学方法。

CIE L*a*b*中的容差

从光、混色、到可见光谱,再到颜色模型和公差,这种实现的途径是当今颜色测量仪器的基础。

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