顏色原理

顏色或色彩（英語：Color）是眼、腦和我們的生活經驗對光的顏色類別描述的視覺感知特徵，其名稱有紅色、橙色、黃色、綠色、藍色或紫色。這種對顏色的感知來自可見光譜中的電磁輻射對人眼視錐細胞的刺激。顏色的種類和顏色的物理規格是通過反射光的波長與物體相聯繫的。這種反射是由物體的物理性質決定的，如光的吸收、發射光譜等。但人對顏色的感覺不僅僅由光的物理性質所決定，還包含心理等許多因素，比如人類對顏色的感覺往往受到周圍顏色的影響。有時人們也將物質產生不同顏色的物理特性直接稱為顏色。

物理的現象

可見光的光譜
顏色	波長	頻率
紅色	約625—740 nm	約480—405 THz
橙色	約590—625 nm	約510—480 THz
黃色	約565—590 nm	約530—510 THz
綠色	約500—565 nm	約600—530 THz
藍色	約485—500 nm	約620—600 THz
靛色	約440—485 nm	約680—620 THz
紫色	約380—440 nm	約790—680 THz

電磁波的波長和強度可以有很大的區別，在人可以感受的波長範圍內（約312.30奈米至745.40奈米），它被稱為可見光，有時也被簡稱為光。假如我們將一個光源各個波長的強度列在一起，我們就可以獲得這個光源的光譜。一個物體的光譜決定這個物體的光學特性，包括它的顏色。不同的光譜可以被人接收為同一個顏色。雖然我們可以將一個顏色定義為所有這些光譜的總和，但是不同的動物所看到的顏色是不同的，不同的人所感受到的顏色也是不同的，因此這個定義是相當主觀的。

一個彌散地反射所有波長的光的表面是白色的，而一個吸收所有波長的光的表面是黑色的。

一個虹所表現的每個顏色只包含一個波長的光。我們稱這樣的顏色為單色的。虹的光譜實際上是連續的，但一般來說，人們將它分為七種顏色：紅、橙、黃、綠、青、藍、紫；每個人的分法總是稍稍不同。單色光的強度也會影響人對一個波長的光所感受的顏色，比如暗的橙黃被感受為褐色，而暗的黃綠被感受為橄欖綠，等等。

單色和混合色

大多數光源的光譜不是單色的，它們的光是由不同強度和波長的光混合組成的。人眼將許多這樣的混合光的顏色與單色光源的光的顏色看成是同樣。比如上面表格中的橙色，實際上就不是單色的600奈米的光，實際上它是由紅色和綠色的光混合組成的（顯示器無法產生單色的橙色）。出於眼睛的生理原理，我們無法區分這兩種光的顏色。

也有許多顏色是不可能是單色的，因為沒有這樣的單色的顏色。比如說黑色、灰色和白色就是這樣的顏色，粉紅色或淡紫色也是這樣的顏色。

顏色與波動方程式

波動方程是用來描寫光的方程式，因此通過解波動方程式我們應該可以得到顏色的訊息。在真空中光的波動方程式如下：

{\displaystyle u_{tt}=c^{2}(u_{xx}+u_{yy}+u_{zz})}

{\displaystyle c}在這裡是光速，{\displaystyle x}、{\displaystyle y}和{\displaystyle z}是空間的坐標，{\displaystyle t}是時間的坐標，{\displaystyle u(x,y,z,t)}是描寫光的函數，下標表示取偏導數。在空間固定的一點（{\displaystyle x}、{\displaystyle y}、{\displaystyle z}固定），{\displaystyle u}就成為時間的一個函數了。通過傅立葉變換我們可以獲得每個波長的振幅。由此我們可以得到這個光在每個波長的強度。這樣一來我們就可以從波動方程式獲得一個光譜。

但實際上要描寫一組光譜到底會產生什麼顏色，我們還得理解視網膜的生理功能才行。

將人類色彩感知同與之相關的物理量（譬如光的波長、頻率、頻譜、功率）聯繫起來，並用數學方法描述二者間定量關係的學科，叫做色度學。它是色彩科學（英語：color science）的核心部分。

顏色的感受

人類(S, M 和 L 類型的)錐狀細胞對單色光譜刺激的規範化典型反應

儘管亞里士多德就已經討論過光和顏色之間的關係，但真正闡明兩者關係的是牛頓。歌德也曾經研究過顏色的成因。托馬斯·楊在1801年第一次提出三原色的理論，後來亥姆霍茲將它完善了。20世紀60年代人們發現了人眼內部感受顏色的色素，從而確定了這個理論的正確性。

人眼中的視錐細胞和視杆細胞都能感受顏色，一般人眼中有三種不同的視錐細胞：第一種主要感受黃綠色，它的最敏感點在565奈米左右；第二種主要感受綠色，它的最敏感點在535奈米左右；第三種主要感受藍紫色，其最敏感點在420奈米左右^[1]^[2]。視杆細胞只有一種，它的最敏感的顏色波長在藍色和綠色之間。

每種視錐細胞的敏感曲線大致是鐘形的，視錐細胞依照感應波長不同由長到短分為L、M、S三種。因此進入眼睛的光一般相應這三種視錐細胞和視杆細胞被分為4個不同強度的信號。

因為每種細胞也對其他的波長有反映，因此並非所有的光譜都能被區分。比如綠光不僅可以被綠視錐細胞接受，其他視錐細胞也可以產生一定強度的信號，所有這些信號的組合就是人眼能夠區分的顏色的總和。

如我們的眼睛長時間看一種顏色的話，我們把目光轉開就會在別的地方看到這種顏色的補色。這被稱作顏色的互補原理，簡單說來，當某個細胞受到某種顏色的光（例如黃色）刺激時，它同時會釋放出兩種信號：刺激黃色，並同時抑制黃色的補色藍色。

人類一共約能區分一千萬種顏色，不過這只是一個估計，因為每個人眼睛和大腦的構造不同，每個人看到的顏色也少許不同，因此對顏色的區分是相當主觀的。人類色覺是不同波長的光線在人類感覺系統中產生的感受，而不是光線本身的性質。青年人和老年人在色覺上往往有細微差異。假如一個人的一種或多種錐狀細胞不能正常對入射的光反映，那麼這個人能夠區別的顏色就比較少，這樣的人被稱為色弱。有時這也被稱為色盲，但這個稱呼並不正確，因為真正只能區分黑白的人是非常少的。

色彩的心理恆常性

某個場景的光在視網膜上細胞產生的信號並不直接等於人對這個場景的感受。人的大腦會對這些信號處理，並分析比較周圍的信號。例如，一張用綠色濾鏡拍的白宮照片——白宮的形象事實上是綠色的。但是因為人大腦對白宮的固有印象，加上周圍環境的的綠色色調，人腦會把綠色的障礙剔除——很多時候依然把白宮感受成白色。這現象在英文中被稱作「Retinex」——合成了視網膜（retina）和大腦皮層（cortex）兩個單詞。梵谷就曾使用過這個現象作畫。

顏色的心理作用

不同的顏色可以產生不同的心理作用。從細節上來說這些感受每個人都各不相同，但總的來說即使是來自不同文化的人也往往有同樣的感受。比如紅色使人心情激動，藍色使人安靜。對藝術家、建築師、服裝設計師和廣告製作者等來說顏色的心理作用是非常重要的。

除此之外人對顏色的感受還有許多特別的效應。一個有趣的現象是假如一個畫家在繪畫時只使用少數幾種顏色，我們的眼睛會試圖將灰色或其他中立的顏色看成是缺乏的顏色。假如一幅畫中只有紅黃黑和白色，那麼我們就會把黃和黑的混合色看成一種綠色，把紅和黑的混合色看成一種紫色，而灰色會顯得有點藍。

亮度的效果

同一種顏色在不同的亮度中會產生不同的顏色感。這個現象的原因是我們的眼睛中除了有錐狀細胞外還有可以感光的杆狀細胞。杆狀細胞雖然一般被認為只能分辨黑白，但它們對不同的顏色的靈敏度是略微不同的，因此當光暗下來的時候，杆狀細胞的感光特性就越來越重要了，它可以改變我們對顏色的感覺。

文化的影響

不同的文化對顏色的定義有時會少許不一樣。比如在中國文化中，青色被看做是藍色的一種。

有一種理論認為最基本的顏色比如紅色、黃色、綠色、藍色等應該是在所有的文化中都一致萬能的^[3] 。這個理論從進化論的角度來論證人對基本顏色的感受應該是一致的。

光源的影響

人在看顏色時總是試圖補償光源本身的顏色。因此我們在不同的光源下看到的同一種顏色實際上是不同的。

動物對顏色的感受

不同的動物感受光線的細胞各不相同。有些動物有更多的感受光線的細胞種類，比如鳥，有些動物感受光線的細胞的種類比人少，比如大多數其它哺乳動物。有些動物可以感受到人看不見的顏色，比如蜜蜂可以感受紫外線。

顏色的複製

不同的光譜可以在人眼中產生同樣的顏色感，比如日光燈的白光是由幾個相當窄的光譜線構成的，而太陽光則是由連續的光譜構成的。就其光而言，人眼無法區分兩者。只有當它們反射在不同顏色的物體上時，我們才看得出來一個是日光燈的光，一個是太陽光。

在大多數情況下人能看得出的顏色可以由元色搭配而成。照片、印刷、電視等就使用這種方式來體現顏色的。

儘管如此搭配出來的顏色往往與純的單色不完全相同，尤其在可見光譜的中部搭配的顏色只能非常地接近單色光，但無法完全達到它的效果。比如綠光（530奈米）和藍光（460奈米）搭配在一起可以產生青光。但這個青光總使人有不十分純的感覺。這是因為人的紅色錐狀細胞同時也可以感受到綠色和藍色，它們對搭配的顏色的反映比對純的青色（485奈米）的反映要強一些，因此我們會感到搭配的顏色有點「紅」，有點不純。

此外一般在技術上使用的元色本身也都不純，因此一般來說它們無法完全地表現純的單色光。不過自然界中很少有真正的純的單色光，因此一般來說由元色組成的顏色可以很好地反映原來的顏色。一個技術系統能夠產生的顏色的總和被稱為色域。

在通過照相機或掃描儀錄取顏色的時候也會產生誤差。一般這些儀器中的感光元件的感光特性與人眼的感光特性相差甚遠。因此在特別的光照下這些儀器所產生的顏色可能會與人眼所感受到的相差很大。

與人眼的顏色感受不同的動物（比如鳥可以感受四種不同的顏色）可以區分對人來說相同的顏色，因此對它們來說適合人看的圖象有時會非常不可理解。

色素

在印刷或圖畫中我們一般使用反射一定波長的色素。當白光照到這些色素上時，它們只反射一定的光而產生顏色的效果。

紅綠藍三原色 (RGB)

主條目：三原色光模式

RGB色彩立方體

發光的媒體（比如電視機）使用紅、綠和藍加色的三元色，每種光儘可能只刺激針對它們的錐狀細胞而不刺激其它的錐狀細胞。這個系統的色域占人可以感受到的色彩空間的大部分，因此電視機和電腦螢幕使用這個系統。

理論上我們也可以使用其他顏色作為元色，但使用紅、綠和藍我們可以最大地達到人的色彩空間。遺憾的是對於紅、綠和藍色沒有固定的波長的定義，因此不同的技術儀器可能使用不同的波長從而在螢幕上產生稍微不同的顏色。

RGBA

主條目：RGBA

主要用於圖像的Alpha合成。RGBA是代表Red（紅色）Green（綠色）Blue（藍色）和Alpha。

青、洋紅、黃、黑四元色 (CMYK)

CMYK色彩立方體

主條目：印刷四分色模式

主要用於印刷。理論上，青色、洋紅色和黃色半透明的顏料塗在白色的底上，顏料會結合而吸收所有光線，然後產生黑色。然而實際上會產生很暗的棕色。所以除了青色、洋紅色和黃色之外，還會加入黑色以平衡色彩的偏差(即青、洋紅、黃、黑CMYK)。

色相、色度和明度系統 (HSB)

主條目：HSL和HSV色彩空間

在製作計算機圖像時人們往往使用另一種顏色系統。這個顏色系統使用三項分類，分別叫做色相（hue）、色度（saturation）和明度（brightness）的係數。色調決定到底哪一種顏色被使用，色度決定顏色的純度，亮度決定顏色的明暗程度。

結構色彩

假如一個物體的表面的結構使得它有間隙的吸光和反光的部分，而這些不同的光學特性的部分之間的距離與光的波長相應，那麼白光照射到這個表面上時就會發生衍射，一定顏色的光會被向一定的角度反射。這個物體的表面就會產生特別的彩虹般的閃光。孔雀的羽毛、蝴蝶的翅膀、貝殼的殼紋等就會產生這樣的結構顏色。最近一些汽車製造商也使用特別的漆來達到這樣的螢光效果。

顏色的意義

不同的顏色有不同的意義：

政治含義

紅色：左派（例如社會主義和共產主義）的標誌；
棕色：極右派（例如法西斯主義）的標誌；
黃色：中國自唐朝到清朝是皇帝的標誌；現代歐美國家是自由主義的標誌。

主要地區的代表色

有些國家和地區有自己的代表色：

色彩文化含義及文化差異

不同的文化在這裡可能有很大的差異，傳統上，中國人穿著黑色、白色、素色等喪服參與喪禮，相反，西方國家以白色作為婚禮的禮服主色。中國人喜歡紅色為吉祥，但西方認為紅色為邪惡的象徵。

白色表示純潔、乾淨、光明。
灰色表示迷糊、憂鬱。
黑色表示成熟、權威、黑暗。
紅色表示熱情、情感；在中國表示吉利、幸福；在西方則有邪惡、禁止、警告的意思。
橙色表示溫暖、活潑。
黃色表示溫和、明亮、也代表金錢。在西方則以黃色為恥辱象徵。黃色則有色情的意味。
綠色表示環保、自然、和平、在西方有通行的意思。
藍色表示天空、海洋、水，象徵冷靜與自由的心態，也有克制節約的意味。在歐美則有色情的意味。
紫色表示高貴、優雅、正直，也有神秘。
金色表示財富。
棕色表示土地，一種沉穩的氣質。