第1章 绪论

回顾历史，人类文明的进步，科学技术的创新，文化艺术的追求，是驱动颜色科学发展的动力源泉。自十七世纪以来，以牛顿（I. Newton,1642—1727）为代表的一代又一代科学家，推动着颜色科学一步一步向前迈进。

十七世纪，英国科学家牛顿用三棱镜将日光折射出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，加上紫红色（purple），将其排列成一个颜色环。牛顿指出，光只是一种射线（rays），它本身没有颜色，我们所看到的颜色，是在光的刺激下产生的一种视觉现象。牛顿的上述观点，既说明了光与色的内在联系，又指出了光与色的本质区别。

十九世纪初，英国青年科学家杨（Thomas. Young,1773—1829），在牛顿实验的基础上，提出了红、绿、蓝三基色说。在此之后，经赫尔姆霍兹（Hermann. Von. Helmholtz,1821—1894）进一步研判，认为在人的视网膜上有感红、感绿、感蓝三种感光纤维。自然界五彩缤纷的颜色，只需用红、绿、蓝三种色光就可以在视觉中合成出来。大自然的色彩万紫千红，杨-赫的三色说给人们指出了驾驭颜色的方向。

同在十九世纪，格拉斯曼（H. Grassmann,1809—1877）提出了颜色变化的三大定律，其中的中间色与互补色定律，隐含了颜色的矢量特性。

二十世纪二三十年代，国际照明委员会（Commission Internationale de l´Eclairage）组织众多科学家在三色说基础上，用RGB三个基本色光做了大量光色匹配实验，提出了“1931-CIE-XYZ”色度系统。表明颜色既可以测量，又可以在色度图上标识出来。从此，颜色在最初的假说基础上，向科学技术应用层面又跨了一大步。今天，能够有多种媒体向人们提供丰富多彩的视觉享受，应归功于CIE的色度科学。

颜色是由于光的刺激在人的视觉系统中产生的一种视觉现象。光是客观物质，颜色则是人的主观感受。颜色视觉涉及物理光学、神经生理学、心理物理学等多领域学科交叉[1]。自从二十世纪初普朗克（Max. Planck,1858—1947）与爱因斯坦（Albert. Einstein,1879—1955）建立了光的量子理论以后，科学家对光的本性认识有了一个飞跃的提高，认识到光既是电磁波，又是量子的，光具有波粒二象性。早在十九世纪中期，格拉斯曼就发现了颜色具有矢量性质，但是此后人们并没有将颜色的矢量性质与光的矢量性质联系起来。正如本书名所说，光色之变是在人的视神经系统里完成的，它的机理至今仍有许多不解之谜。

本书作者借用黑箱（Black Box）说，把视神经光色处理系统看作一个黑箱，把电磁波动态的相矢量（phasor）E=E0 eiωt作为数学原型，假设当光进入人眼睛的瞬时，定格在频域里，映射在复频谱上变成静态频域里的色矢量。它的数学模型是Z=reiθ。在这个黑箱里，光矢量是输入，色矢量是输出。色矢量仅存在人的感觉（sensation）阶段，人无法知觉（perception）。但它是光色变换过程中的关键因子，颜色的平衡、分解、合成与整合，都是在色矢量层级上整合的结果。由它产生的颜色的所有性能，表现出的是颜色的物理属性。从客观的物理量“光”，到人体感受到的“色”，它应验了“普朗克链条”从物理光学到人类心理学、生理学的先见之明。

尊敬的光学前辈王大珩院士说，颜色光学是生理、物理与心理的综合。光线进入眼睛刺激视网膜视细胞，产生神经脉冲信号，这是生理反应。“大量证据表明，由锥体细胞输出的信号与被吸收的光的能量，不成正比例，而更近似其平方根。”[2]光能量的平方根正比光的振幅，而光的振幅是相矢量。不妨把视神经脉冲信号看作物理量变换器，把光矢量变成色矢量。把它映射在复频谱上，可见光384MMHz～768MMHz一个倍频里每一个频率的振幅，均匀地分布在复频谱0°～360°（0～2π）相位上。该相位上的数值就是一个色矢量r。在复频谱上进一步对所有色矢量进行平衡与整合，就可以给出颜色各项物理特征数值。以上是颜色视觉过程中的感觉阶段。

人虽然是最高级的智能动物，然而感觉仅处在颜色矢量的整合阶段，这个阶段人是看不见的。人看见的不仅是色矢量整合的结果，而且是把人的记忆、经验、知识、环境等因素综合地融合起来，产生的具有心理特征的知觉。知觉一旦融合了心理因素，就不能完全用物理的方法解析了。

《色度学》把颜色的亮度、主波长与纯度定义为心理物理量，把明度、色调与饱和度定义为心理量。二者的区别在于，物理特性是在感觉阶段色矢量整合的结果，与之后的心理知觉无关。心理量是在光的辐亮度Le的基础上，经光谱灵敏度函数v(λ)调制产生的光亮度Lv，不是在光矢量层级上，而是在光能量层级上凭人的知觉实验的结果，显然与人的心理感受有关。物理特性与心理量二者产生的层级不同，感觉在前，知觉在后。在当代颜色科学技术应用领域日益广泛的现实环境下，就像辐亮度Le与光亮度Lv不是谁取代谁，它们各有自己的特性，有不同的技术用途。

可见光每一个频率的光量映射在复频谱上，都将光矢量变换成一个色矢量，所以在复频谱上没有所谓的基本色。杨-赫的三色说相当于在复频谱上分别设红、绿、蓝三个基本色，每一个基本色不管其频域的宽窄，只有一个色矢量，三个基本色有三个色矢量，每两个色矢量间隔平均120°，两个基本色之间任意一个颜色，都可以按照正弦定理将这两个色矢量合成出一个中间色来。若三个色矢量之和等于零，没有彩色，即达到白平衡。赫林的四色说相当于在复频谱上设红、黄、绿、蓝四个基本色，有四个色矢量，间隔平均90°，红与绿间隔180°，是一对互补色；黄与蓝间隔180°，也是一对互补色。巧的是这四个色矢量与复频谱坐标上X、Y轴一一对应。红色矢量对应X+，黄色矢量对应Y+，绿色矢量对应X-，蓝色矢量对应Y-。长期以来，好似相互对立的两个理论，在复频谱色矢量上得到了统一。

光学不仅是一门结构严谨的基础学科，它强大的生命力还能与其他学科相融合，衍变出新的边缘学科，如光化学、光电子学等。既然颜色是由光衍生出来的，映射在复频谱上，从中产生出色相、色彩强度、亮度、饱和度、白度等表征颜色物理属性的特征数值，那么，我们是否可以设想衍生出光色科学呢？

因作者学识有限，书中讹误不当之处在所难免，万望学人不吝指正，感谢之至。