色彩理论中的光色原理
所谓颜色术语,就是颜色的专用术语。理解这些名词的含义,既是基础知识的组成部分,也是解释色彩原理和规律的必要中介语言,所以一开始就应该是讲解的内容。
经验证明,人们对色彩的理解和运用,是通过发现差异,寻找其内在联系来实现的。所以人类最基本的视觉经验得出了一个最简单也是最重要的结论:没有光就没有颜色。人们在白天可以看到五颜六色的物体,但在漆黑的夜晚却什么也看不见。如果有灯光,在灯光照耀的地方,你可以再次看到物体及其颜色。
真正解开光和颜色之谜的是英国科学家牛顿。17世纪下半叶,为了提高新发明的望远镜的清晰度,牛顿开始研究光穿过玻璃镜的现象。1666年,牛顿进行了著名的色散实验。他把一个房间关在黑暗中,只在窗户上开一条窄缝,让阳光进来,穿过一个三角形悬挂体的玻璃棱镜。结果出现了意想不到的奇迹:对面墙上出现的不是一片白光,而是一条七色的光带。这七种颜色按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列在一起,很像雨后的彩虹。同时,七色光束如果再次通过棱镜,可以还原成白光。这个七色波段就是太阳光谱。
牛顿之后的大量科学研究成果进一步告诉我们,颜色是以色光为主体的客观存在,是给人的视觉感受。这种感觉基于三个因素:一是光线;二是物体对光的反射;第三是人的视觉器官——眼睛。也就是说,不同波长的可见光投射在物体上,一部分波长的光被吸收,一部分波长的光被反射,刺激人的眼睛,通过视神经传递到大脑,形成关于物体的颜色信息,即人的颜色感知。
光、眼、物之间的关系构成了色彩研究和色彩学的基本内容,也是色彩实践的理论基础和依据。
光、可见光、光谱颜色
为了理解牛顿发现的光色散的原因,我们必须从光的本质中寻找答案。
所谓光,就其物理性质而言,是一种电磁波,其中一部分可以被人的视觉器官——眼睛接受并作出反应,通常称为可见光。所以颜色应该是可见光作用产生的视觉现象,刺激眼睛后能引起视觉反应,使人感受颜色,感知空间环境。可见光是如此普遍,任何视力正常的人都能感觉到。可见光是神秘的,是千变万化的,因为除了看,没有别的办法去接触,去稳定,去了解它。因此,国内外许多科学家、艺术家和思想家对此进行了观察、研究和思考,但几乎没有找到令人信服的答案。牛顿虽然分解了光,但也有人形容为“破光”。
显然,可见光不是固体、液体、气体之类,不是细胞、分子、原子,也不是热能、电能、化学能。
随着科学的发展,对光的研究逐渐接触到本质。牛顿还是第一个在1678提出光是物体发出的一种粒子,称为光粒子。它以极大的速度从一个发光体向四面八方发射,使人眼能感觉到光,这就是所谓的粒子理论。
1678年,哈根斯等人认为宇宙中充满了一种叫做以太的薄而有弹性的介质。物质发光时,其电子振动,通过周围的以太依次传递到远处,成为一种横波。横波进入人眼引起光感,称为波动说。
1864年,麦克斯韦认为光不是以太本身的运动,而是以太中电磁变化引起的传播。以太波是电波的一种,被称为电磁理论。
现代科学已经证实,光是一种电磁波形式的辐射能。它既是波动的,也是颗粒的。光的这两种性质在光学中被称为“二元性”。
太阳光通过棱镜时,以不同的波长沿不同的路线传播:紫光波长最短,传播速度最慢,曲折度最大(折射角最大),红光波长最长,折射角最小,其他颜色的光依次排列形成七色光谱。当光线照射到不透明物体的表面时,粒子会“碰撞”,部分被反射,部分被吸收。这种反射光作用于视觉器官,形成物体颜色的概念。以上是对光的色散现象和物体色彩本质的科学回答。
在整个电磁波范围内,并不是所有的光都有颜色。电磁波包括宇宙射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波和可见光,它们都有不同的波长和振动频率。只有波长在380纳米到780纳米的电磁波才能引起人的颜色感知。这个波长叫做可见光谱,也就是常说的光。
其他波长的电磁波是人眼看不到的,俗称不可见光,其实是不同的射线或波。波长大于780纳米的电磁波称为红外线,波长小于380纳米的电磁波称为紫外线。各种光都有不同的波长,它们的大小仍然是用纳米来度量的。
如果用光度计测量棱镜分解的色光,就可以得到色光的波长。所以颜色的概念其实是不同波长的光刺激人的眼睛产生的视觉反射。
光的物理性质是由光波的振幅和波长决定的。波长长短的不同决定了色调的不同。相同的波长但不同的振幅决定了色相亮度的差异,即亮度差异。
有光才能有颜色,光来自于光源。有两种光源:自然光源和人工光源。而所有的光都是由各种波长和频率的彩色光按顺序排列而成的,也就是所谓的“光谱”。白炽灯、荧光灯等光谱不同的灯发出的光,有不同的色彩感受。
起初,阳光的光谱被认为是由七种颜色组成的:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。后来有人提出它是由红、橙、黄、绿、蓝、紫六种颜色组成的,理由是青色和蓝色光的确切波长差一直没有确定。7色光谱和6色光谱的观点在色彩学中似乎至今没有定论,主要是因为6种颜色排出的颜色表和色环便于解释颜色原理。因为光谱颜色的名称不仅受到科学家和艺术家的关注,也受到语言学家和作家的关注,所以从各自的角度理解名称的含义难免存在差异。比如橙色,其实是红色和黄色的中间色,有的叫橙色。现实中橘子果实的颜色差异很大,也就是橘子本身的颜色也有深浅之分,所以橘子只是所有橘子颜色的一个笼统概念,很难以某个具体的果实为标准。可见颜色这个名字本身其实是不严谨的。再比如青色。有人认为它来自蓝晶石,所以应该是蓝绿色,蓝色是正色,所以应该把蓝色从光谱色中去掉。在日本,天空的蓝色其实就是我们所认为的天蓝色,所以习惯上将蓝色去掉,保留日本光谱中的蓝色。此外,还有一种观点认为,光谱只是由红、黄、绿、蓝、紫四种颜色组成。总之,关于七色、六色、五色的说法还没有定论,很难确认一种说法,否定另外两种说法。在阅读不同的色彩理论书籍时,往往会有不同的说法,原因如上所述。
符合色光标准色相的六种颜色是用颜料制成的,是颜料的标准色,即红、橙、黄、绿、蓝、紫。
光源颜色、物体颜色、固有颜色
物体颜色的出现与光源颜色和物体的物理特性有关。
同一物体在不同光源下会呈现不同的颜色:白光下的白纸,红光下的红纸,绿光下的绿纸。因此,光源颜色的光谱成分的变化必然会影响物体的颜色。电灯下的物体是黄色的,荧光灯下的物体是蓝色的,电焊光下的物体是浅蓝色的,黎明和日落下的景物是橙红色和黄色的,日光下的景物是淡黄色的,月光下的景物是淡绿色的。光源颜色的光强也会对被照射物体产生影响。强光下的物体颜色会变淡,弱光下的物体自然颜色会变得模糊暗淡。只有中等光强下的物体颜色才最清晰可见。
物理学家发现,光照射到物体上会被吸收、反射和透射。而且各种物体都有选择性吸收、反射、透射有色光的特性。就物体对光的作用而言,大致可以分为不透明和透明两类,通常称为透明体和透明体。对于不透明的物体来说,它们的颜色取决于不同波长的各种彩色光的反射和吸收。如果一个物体能反射几乎所有颜色的太阳光,那么这个物体就是白色的。另一方面,如果一个物体能吸收阳光中几乎所有的彩色光,那么这个物体就是黑色的。如果一个物体只反射700纳米左右波长的光,而吸收其他波长的光,那么这个物体看起来就是红色的。可见,不透明物体的颜色是由其反射的色光决定的,本质上是指物体反射和吸收部分色光的特性。透明物体的颜色是由其透射的颜色光决定的。红色玻璃是红色的,因为它只透射红光,吸收其他颜色的光。相机镜头上使用的滤色器,并不是说滤除镜头颜色的光,实际上是让这个颜色的光通过,滤除其他颜色的光。由于每个物体对各种波长的光都具有选择性吸收、反射和透射的特殊功能,所以在相同条件下(如光源、距离、环境等因素)具有相对恒定的色差。人们习惯把物体在白光下的颜色效果称为物体的“固有色”。比如白光下的红花绿叶永远不会出现红光下的红花绿叶。红花可以显得更红,但绿光不具备反射红光的特性。反之吸收红光,所以绿叶在红光下呈现黑色。此时,感觉像黑叶的黑色在红光下仍然可以认为是绿叶的客体色,而绿叶之所以是绿叶,是因为在正常光源(太阳光)下是绿色的,而绿色被常规认为是绿叶的固有色。严格来说,所谓固有色,应该是指正常光源下“物体固有的物理性质”所产生的颜色。
光的作用和物体的特性是构成物体颜色的两个不可或缺的条件。它们相互依存,相互制约。只强调物体的特性而否定光源色彩的作用,物体的色彩就成了无水之源;只强调光源色彩的作用,不承认物体的固有特性,这就否定了物体色彩的存在。同时,在使用“固有颜色”一词时,要特别注意不要误解为物体的颜色是固定的。这种偏见,就是研究光与色的关系,做色彩素描必须克服的“固有色彩观念”。