1.3 色彩体系

将色相以波长的大小顺序进行循环排列，就形成了色轮（色相环）。自然色谱有红、橙、黄、绿、青、蓝6个基本色相，把光谱色收尾处的色彩红和蓝结合或者重叠便产生紫色（红紫和蓝紫），这一事实促使牛顿产生了把光谱连成圆环以便“自圆其说”的想法，使色调与色调之间的渐变和循环连绵不断，天衣无缝。每一种基本色相又可按其不同的倾向细分出更多不同的色相，故根据人们的需要，色相环通常可以划分为6位、12位、24位（图1.3.1），甚至上百位，并由此而引发一系列色轮和色立体（色系）的问世。

从色轮中，我们可以很直观地看到不同颜色之间的关系。互补色是指色轮上两个色相之间相差150～180度的色彩，也叫作对比色。例如，红色的互补色是绿色。相邻色是指色轮上彼此相邻的色彩，如红色与橙色、黄色与棕色。从某种意义来讲，人类视觉以及色彩呈现的色轮和色立体，其演变和改进为我们展现了色彩理论发展的基本线索。我们讨论这些关系，无非是想借此进一步探讨色彩和谐均衡以及如何使用处理两个以上色彩的问题。因此，色彩体系不仅有理论研究意义，也显示出实际的应用价值。

1.3.1 五行色彩学

我国古代先哲将宇宙生命万物分类为五种基本构成要素：金、木、水、火、土。在此基础上，衍化出了五行色彩学说。中国传统的五行色彩学早于西方现代色彩学一千多年就形成了较为系统的色彩体系。

中华民族群体的五行色彩观，代表了中国人的宇宙时空观念。东、西、南、北、中的五行观是中国人的空间观念，它的色彩组合就是东方主青色、西方主白色、南方主赤色、北方主黑色、中央主黄色的五行色彩组合。春、夏、秋、冬，四季运行，周而复始，是中国人的时间观念。它与五色五行相配，就是春青色、夏红色、长夏黄色、秋白色、冬黑色的色彩组合。类似的，与图腾神祇五行相配，就是东方青龙，青色；西方白虎，白色；南方朱雀，红色；北方玄武，黑色；中央黄色。与人格化五行神祇崇拜相配，就是东方青帝、西方白帝、南方赤帝、北方玄帝、中央黄帝的五方神色彩组合。与金、木、水、火、土五行相配，就是金为白、木为青、水为黑、火为红、土为黄的五行色彩组合。

何平导演的《麦田》讲述的是以赵国与秦国长平之战为背景的两个逃兵误入“女儿国”的故事，影片采用了段落式结构，用金、木、水、火、土五行来构成整部影片。逃兵在城中的五天四夜分别为金日、木日、水日、火日、土日，影片通过五行的轮回交代了人物的不同命运。同样，在影片的创作中，我们可以通过五行色彩学来对影片的色彩进行构思设计。

1.3.2 普朗体系

赫伯特·E.艾夫斯提出的普朗体系，是最适合于色彩理论教学的一种颜料体系。这一理论除了提出一种色彩同时展现色彩三属性色相、明度和纯度之外，以原色红、黄、蓝为基本色来分割色轮，认为三原色不能由其他色彩混成。将两个原色等比例混合就形成橙、绿和紫，即间色。再进一步将原色和间色混合在一起，就形成黄橙、红橙、红紫、蓝紫、蓝绿及黄绿。当所有这3组色彩用一种使它们看上去是自然过渡或者转调的方法有秩序地放置时，便产生了最基本的色轮。

任何一种色轮都存在着不同程度的武断和片面性，只不过就它为其实现的目标服务而言才是有效的。随着印刷、染色以及涂料技术的不断完善，艾夫斯又设计了一种用于染料和颜料混合的变体色轮，其原色为洋红、黄和青，洋红加青产生蓝，青加黄产生绿，黄加洋红产生中红，如果混合青、洋红和黄，便产生了三色版印刷黑，这正是在四色印刷中使用的四次色（图1.3.2）。研究光的物理学家使用的色轮则以红、绿和蓝紫为基础。由于这种原因，普朗体系从未被系统化。

1.3.3 孟塞尔色立体

孟塞尔色彩标志系统是美国的美术教育家孟塞尔（A. H. Munsell）于1905年创立的一种用颜色立体模型及由色相、明度、纯度组成的标记（HV/C）标志表面色的方法，是从心理学角度，根据颜色的直觉特点指定的颜色分类和标定系统。

显色系统是研究颜料色彩性质、属性、混合方式及物体色彩反射吸收的理论方法和体系，孟塞尔色彩体系最具代表性。该系统研究减色模式，是经典艺用色彩的基础，广泛应用于以颜料色彩为主导的色彩应用领域，如绘画、印刷、服装等。

孟塞尔显色系统着重研究颜色的分类与标定、色彩的逻辑心理与视觉特征等，为经典艺用色彩学奠定了基础。

孟塞尔创建的颜色系统是目前被国际上广泛采用的一种表示颜色的方法。它包括一个类似球体的三维立体模型（图1.3.3），以色彩的色相、明度、饱和度三种基本属性为基础，以颜色的视觉特性来制定颜色分类和标定系统，并以按目视色彩感觉等间隔的方式，表示各种表面色的特征。

孟塞尔划分了10个基础色相，每种色相再细分，共有100个色相。

孟塞尔色立体中央轴代表无彩色黑白系列中性色的明度等级，黑色在底部，白色在顶部，称为孟塞尔明度值（图1.3.4）。它将理想白色定为10，将理想黑色定为0，孟塞尔明度值由0至10，共分为在视觉上等距离的11个等级。

在孟塞尔系统中，颜色样品离开中央轴的水平距离代表饱和度的变化，称为孟塞尔彩度，同样分成许多视觉上相等的等级。中央轴上的中性色彩度为0，离开中央轴愈远，彩度数值愈大。而影视后期调色软件中的调色轮，都是基于此种原理设计，距离中心越远，影像的饱和度越高。该系统通常以每两个彩度等级为间隔制作一颜色样品。

孟塞尔色立体在水平剖面上表示10种基本色。它含有5种原色，即红（R）、黄（Y）、绿（G）、蓝（B）、紫（P）；5种间色，即黄红（YR）、绿黄（GY）、蓝绿（BG）、蓝紫（PB）、红紫（RP），以此再细分出40种颜色。

1937年至1943年，美国光学会对孟塞尔颜色系统做了进一步研究，发现颜色样品在编排上不完全符合视觉上的等距原则。因此，通过光谱光度测量和视觉实验，重新编排和增补了孟塞尔颜色系统中的色样，制定出“孟塞尔新标系统”。新标色样的编排，不仅更接近视觉的等距，并且每个色样都有相应的CIE1931标准色度学系统（下文会有讲解）的色度坐标。它不仅可以确定表面色的标记，而且能与CIE标准色度学系统进行转换。它的重要性还在于能够评价颜色的视觉特性与颜色标定之间的关系，弥补了主波长不能准确地代表色调知觉的缺陷。

1.3.4 奥斯特瓦尔德体系

奥斯特瓦尔德色彩标志系统是由德国荣获诺贝尔奖的化学家奥斯特瓦尔德（Wostwald）1923年创立的。奥斯特瓦尔德不仅从事心理学、物理学研究，还通晓绘画与音乐。他的色彩图中的色品所具有的理想反射特性、内含的彩色（C）、白色（W）、黑色（B）三种成分及色品排列的方式客观地反映了色彩的构成（图1.3.5），表现了这个色彩标志系统的鲜明特点，为色彩的分类提供了依据。色品的排列是根据色调的不同分别填在等边三角形中，三角形的三个顶点分别定为C/W/B的最大值。当等边三角形的高度为100时，三角形内代表任一色品的C、W、B三个数值之和均为100，这是奥斯特瓦尔德颜色系统的基本关系。

这个色彩标志系统是选择一定的主波长来表示各等边三角形中色品的色调，并且与对应的等边三角形形成色彩的互补关系。这是它与CIE标准色度学系统的必然联系，也由此获得了良好的配色效果。

色彩图中色调的划分是以赫林（E. Hering）的四色学说为依据，在黄、橙、红、紫、蓝、蓝绿、绿和黄绿8个色调的基础上划分出24个色调。同现代的三原色光混合规律相比，色调间的等距性较差。

色彩图中等色面明度的划分是从韦伯比率出发分成8个等级，这个在一定范围内固定的明度间隔，不仅限定了色标的标色数目，也由于没有依靠心理判断不能确定色彩知觉的等距性。

奥斯特瓦尔德色彩标志系统是彩色成分与白色成分的比值（C/W）来表示色彩的纯度（称为奥斯特瓦尔德纯度）。因为决定色彩纯度大小的有两个因素，即彩色成分与消色成分的数量；在消色成分中又包括黑色成分和白色成分，它们的大小都影响色彩的纯度。因此，仅用色彩成分和白色成分来衡量色彩的纯度只适用于不含褐色成分的洁色，是不全面、不科学的。

在奥斯特瓦尔德颜色系统的等边三角形内，与C、W、B的对边等距的各列色品中，只在C、W、B三个数值之和相等的前提下，分别做到了W值和B值的一致，C值并不相同，在色品的编排上没有把等彩系列和等纯度系列在数值上准确地表现出来。

奥斯特瓦尔德色系的等色相三角形非常直观，但也具有局限性（图1.3.6）。因为此三角形未给可能发现的新的色彩留下位置，而不再有扩展空间。

由于理论上黑和白的色度坐标不变，而同一等色相三角形上的颜色又都是某一饱和色与黑或白的混合色，因此，虽然饱和度不同，但主波长却是相同的，忽略了心理颜色的因素。为此，目前采用混色盘配置同色相三角形。

1.3.5 CIE系统

现代色度学是研究颜色度量和评价方法的一门重要的颜色科学。牛顿最早提出了在颜色混合中用重心原理来确定混合色的方法，吉尔德、贾德、麦克亚当、司梯鲁斯、莱特和维泽斯基等科学家奠定了现代色度学基础。

混色系统是研究光色成色性质、方法和特点的理论体系。混色系统主要指CIE（法语为Commission Internationale de L'Edairage）色彩系统，该系统定义发光体所发出的光的色彩，表示各种色光相混合叠加的模式。混色系统是现代光学色彩和数字色彩的基础。CIE系统广泛应用于人造灯光、电影电视、计算机等领域的色彩设计。

色知觉涉及光学、光化学、视觉生理、视觉心理等各个方面。现代色度学是应用心理学和物理学的方法，通过大量的科学实验，进行色知觉量度量。

颜色名词可以轻而易举地传达颜色信息，但不能准确表示色知觉量。不同的标色系统却可以通过不同的分类及排列方式描述颜色。1931年国际照明委员会建立的CIE色度学系统，研究了人眼的视觉规律，用数字量化颜色，并用测色仪器代表人眼来测量颜色。

国际照明委员会在“1931-RGB系统”的基础上，为了在光谱三刺激值和色度坐标中不出现负值（注：视网膜中的感色细胞分为红、绿、蓝三种，引起视网膜感色细胞对某种颜色感觉的三种原色的刺激程度之量的数值称为三刺激值），使匹配等能光谱色的三原色数值标准化，把R（红）、G（绿）、B（蓝）三原色改为设想的X（红）、Y（绿）、Z（蓝）三原色，建立“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，组成“1931CIE-XYZ系统”，即“CIE1931标准色度学系统”。

由于将光谱三刺激值按照一定的比值转换成三个坐标数字（x，y，z）之和等于1的关系，因此，仅用x和y两个量组成色度坐标，制成CIE1931色度图（图1.3.7）。

图中色彩的色调用光谱轨迹上相应色点的波长来表示，光谱中没有的色彩用其补色的波长加上负号或字母C来表示。色彩明度的表示，是用光谱三刺激值中近似于明视觉光谱效率函数的Y曲线计算颜色的亮度特性。色彩的纯度用色调波长不同而饱和度相同的各个色点的连线（等饱和度）来划分。离光谱轨迹愈近的色点纯度愈高，直至纯度最高的光谱色；离白色点愈近的色点纯度愈低，直至纯度最低的白色。

1976年CIE发布了新的颜色空间及有关色差公式，即Lab系统（图1.3.8），适用于一切光源色或物体色的表示与计算。此体系使用一个亮度参数L，两个颜色分量参数分别为：a（代表从红到绿）、b（代表从蓝到黄）。在电视工业中，为了配色方便，CIE制定了XYZ计色制，这是目前国际通用的测色标准。

CIE提供了一套依靠机械而不是主观判断的精确的视觉配色方法，事实上提供了一套客观的标准。并且不需要借助色样的控制作用来进行操作。孟塞尔和奥斯特瓦尔德建立在样本基础上的系统在CIE系统中得到了改进。

CIE测量系统是建立在波长基础之上的，而不是实际的颜料合成基础上的，所以在CIE系统中色彩可以通过不同的形式混合而成。

马蹄形的CIE色度图包含了可见光的全部色域。通过CIE色度图，我们可以测量任何颜色的波长和纯度，识别互补颜色，定义色彩域，以显示叠加颜色的效果；还可以用CIE色度图比较各种显示器、胶卷、印刷、打印机或其他硬拷贝设备的颜色范围。需要指出的是，CIE色度图是一个二维空间，它只反映了光色的彩度和纯度，而没有亮度因素。

1.3.6 基于CIE系统的色彩空间

“色彩空间”一词来源于英语“Color Space”,又称作“色域”，实际上就是各种色彩的集合范围。色域是基于CIE色谱的一个子集。在现代计算机数字技术中，色域也可以看作是一种颜色的编码方式及该技术系统下能够产生的颜色的总和。不同的设备、不同的软件开发商都有着不同的色域标准。对于图像而言，色域越大，那么设备所表现出来的图像的色彩就越多越丰富。我们在电影院看到的电影画质就要比在家看电视的画质质感丰富得多，就是因为电影胶片的色域要远大于电视的色域。

经常用到的色彩空间类型有RGB、CMYK、Lab、YUV等。它们各自又可以细分为很多种类的色彩空间标准。

RGB色彩空间。

几乎所有的彩色成像设备和彩色显示设备都采用了RGB（红、绿、蓝）三种基色，不仅如此，数字图像文件的存储形式，也以RGB三基色为主。由RGB三基色为坐标形成的空间称为RGB色彩空间（图1.3.9）。

RGB色彩空间又可以分为sRGB、Adobe RGB、Apple RGB、ProPhoto RGB、ColorMatch RGB、Camera RGB、DaVinci RGB等。不同的标准分别表示了在CIE色谱图中不同的颜色范围（图1.3.10）。范围越大，那么色彩越丰富，效果越好。

sRGB色彩空间是美国的惠普公司和微软公司于1997年共同开发的标准色彩空间（standard Red Green Blue）。由于这两家公司实力强，它们的产品在市场中占有很高的份额。

Apple RGB是苹果公司早期为苹果显示器制定的色彩空间，其色彩范围并不比sRGB大多少。因为这种显示器已经很少使用，这一标准已逐步被淘汰。

ColorMatch RGB是由Radius公司定义的色彩空间，与该公司的Pressview显示器的本机色彩空间相符合。

Adobe RGB色彩空间是由美国以开发Photoshop软件而闻名的Adobe公司1998年推出的色彩空间标准，也叫作Adobe RGB（1998）。它拥有宽广的色彩空间和良好的色彩层次表现。与sRGB色彩空间相比，它还有一个优点：就是Adobe RGB还包含了sRGB所没有完全覆盖的CMYK色彩空间。这使得Adobe RGB色彩空间在印刷等领域具有更明显的优势。

Wide Gamut RGB是用纯谱色原色定义的很宽色彩范围的RGB色彩空间。这种空间的色域包括几乎所有的可见色，比典型的显示器能准确显示的色域还要宽。然而，由于这一色彩范围中的很多色彩不能在RGB显示器或印刷上准确重现，所以这一色彩空间并没有太多实用价值。

ProPhoto RGB是一种色域非常宽的工作空间，其色域比Adobe RGB大得多。这是Eastman Kodak提出的一种规范，用于描述某些Ektachrome正片（柯达公司出产的彩色胶片品牌）能够重现的各种饱和度非常高的颜色。以前，在大多数情况下不推荐将其用作工作空间（Ektachrome正片的高端扫描照片除外），因为其色域比大多数捕捉和输出设备大得多。但随着数字图像处理技术的发展，现在完全有理由考虑将ProPhoto RGB用作工作空间。ProPhoto RGB常用于Raw格式文件，因为其强大的色域，记录了大量最原始的色彩信息，所以在图像效果方面有着绝对的优势。

当我们在Photoshop中导入Raw格式的图片时，就可以根据需要来选择不同的色彩空间（图1.3.11）。

CMYK色彩空间。

前面讲过，自然界物体颜色大致有两类：光源色与物体色。光源色是有源物体自身发出的光波，其颜色由物体发出的光波决定，因此，采用RGB三基色相加模型和RGB色彩空间描述，比如彩色电视、彩色液晶显示器等。物体色不是物体本身发出的光波，而是由物体吸收或反射了一部分光波而决定，因此，采用CMY三基色相减的模型和CMY色彩空间描述。比如在彩色印刷和彩色打印时，纸张是不能发射光线而只能反射光线的，因此，彩色印刷机和彩色打印机只能通过一些能够吸收特定光波和反射其他光波的油墨和颜料以及它们不同比例的混合来印出千变万化的色彩。

油墨和颜料的三基色是C（Cyan/青）、M（Magenta/洋红）、Y （Yellow/黄），而不是RGB。CMY三基色的特点是油墨和颜料用得越多，颜色越暗，所以将CMY称为三减色，而将RGB称为三加色。从理论上来讲，等量的CMY可以合成黑色，但实际上纯黑色是很难合成出来的，所以彩色印刷机和彩色打印机要提供专门的黑色油墨，也就是CMYK中的K（black）。这种印刷模式被人们称为四色印刷，四色印刷的色彩模型为CMYK模型（图1.3.12）。

CMYK模型不仅科学地表现了光源、物体的吸收特性与色彩显现的关系，并且包含着表现色彩特征的三种组合，即黄色、品色和青色三种染料的组合，蓝光、绿光和红光三原色光的组合及黑色、白色和彩色三种成分的组合。染料三基色系统不仅能够剖析色彩理论，解释色彩现象，并且在各类视觉艺术诸如电影、电视、摄影、戏剧、绘画、广告以及生活领域的色彩设计上有着广泛的应用价值。

Lab——不依赖设备的色彩空间。

为了使数字色彩在不同的设备环境中保持不变，科学家们定义了CIE的Lab色彩。它可以在不同的计算机系统中交换图形色彩，并且可以打印到页面描述语言PostScript Level 2的输出设备上，从而保持了图形和色彩的始终如一。

Lab色彩模式是由亮度（L）和有关色彩的a、b三个要素组成。L表示亮度， a表示从红色至绿色的范围，b表示从蓝色至黄色的范围。L的值域由0至100， L=50时，就相当于50%的黑。a和b的值域都是由+120至-120，其中+120a就是红色，渐渐过渡到-120a的时候就变成绿色；同样原理，+120b就是黄色，-120b就是蓝色。所有的颜色就以这三个值交互变化所组成。例如，一块色彩的Lab值是L=100，a=30，b=0，这块色彩就是粉红色（图1.3.13）。

Lab色彩空间除了上述不依赖于设备的优点外，还具有它自身的优势：色域宽阔。它不仅包含了RGB、CMYK的所有色域，还能表现它们不能表现的色彩。人的肉眼能感知的色彩，都能通过Lab色彩空间表现出来。另外，Lab色彩模式弥补了RGB色彩模式色彩分布不均的不足，因为RGB模式在蓝色到绿色之间的过渡色彩过多，而在绿色到红色之间又缺少黄色和其他色彩。

YUV色彩空间。

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法，是PAL和SECAM模拟彩色电视制式采用的颜色空间。在现代彩色电视系统中，通常采用三管彩色摄影机或彩色CCD摄影机进行取像，然后把取得的彩色图像信号经分色并分别放大校正后得到RGB，再经过矩阵变换电路得到亮度信号Y和两个色差信号R—Y（即U）、B—Y（即V），最后发送端将亮度和色差三个信号分别进行编码，用同一信道发送出去。这种色彩的表示方法就是所谓的YUV色彩空间表示。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。

YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视机。与RGB视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面——色调与饱和度，分别用Cr和Cb来表示。其中，Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而Cb反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

正确地表示数字分量视频的方式是Y'CbCr（图1.3.14）。Y'CbCr是DVD、摄像机、数字电视等消费类视频产品中常用的色彩编码方案。Y'CbCr有时会称为YCC。Y'CbCr在模拟分量视频（analog component video）中也常被称为Y'PbPr（图1.3.15）。Y'CbCr不是一种绝对色彩空间，是在世界数字组织视频标准研制过程中作为ITU-R BT1601建议的一部分，其实是YUV经过缩放和偏移的翻版。其中Y与YUV中的Y含义一致，Cb、Cr同样都指色彩，只是在表示方法上不同而已。在YUV家族中，Y'CbCr是在计算机系统中应用最多的成员，其应用领域很广泛，JPEG、MPEG均采用此格式。一般人们所讲的YUV大多是指Y'CbCr。

很多影视后期软件的调色面板都会专门设置YUV分量面板，对影像进行调整（图1.3.16）。

用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。如果只有Y信号分量而没有U、V分量，那么这样表示的图像就是黑白灰度图像。彩色电视采用YUV色彩空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的兼容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视信号。广播、视频和成像标准使用YUV色彩空间还有一个重要的原因，就是与人的视觉系统有很大关系。人类的眼睛对低频信号比对高频信号具有更高的敏感度。事实上，人类的眼睛对亮度的改变也比对色彩的改变要敏感得多。因此，对人类而言，Y分量比U分量要重要。根据人眼的这一特征，在不使用任何复杂算法的前提下，可以适当地抛弃U和V分量，以达到压缩的目的，这就是部分取样。

部分取样的常见方式有YUV444（无压缩）、YUV422（33.3%压缩）、YUV411（50%压缩）、YUV420（50%压缩）等。其中数字分别表示了Y、U、V三个分量的取样比例，即各分量水平取样因子与垂直取样因子乘积的比例。

随着时代的发展，特别是数字影像领域技术的发展，越来越多的标准被制定出来，以获得更好的色彩效果，比如Rec601、Rec709、Camera RGB、Red RGB、DaVinci RGB、S-Log、Log-C、LUT等。我们会在以后的章节详细讲解。